BR112018011232B1 - Método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio - Google Patents

Método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio Download PDF

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Abstract

PRODUÇÃO POR POLIGERAÇÃO DE HIDROGÊNIO PARA UTILIZAÇÃO EM VÁRIOS PROCESSOS INDUSTRIAIS. A presente invenção se refere a processos para produção de hidrogênio a serem usados em vários processos industriais, inclusive em processos para produção de amônia e ureia. A presente invenção também se refere a processos de poligeração que resultam em emissões ultrabaixas.

Description

[0001] Este requerimento reivindica prioridade para, e o benefício do Requerimento Provisório U.S. No. 62/263531, arquivado em 4 de dezembro de 2015, do Requerimento Provisório U.S. No. 62/263408, arquivado em 4 de dezembro de 2015, e do Requerimento Provisório U.S. No. 62/296058, arquivado em 16 de fevereiro de 2016.
Campo da Invenção
[0002] A presente revelação se refere a um processo para a produção de hidrogênio para utilização em vários processos industriais, tal como em processos para produção de fertilizantes à base de amônia e/ou nitrogênio, ou combustíveis sintéticos. Mais especificamente, a invenção se refere a um processo de poligeração para a produção de hidrogênio a partir de uma corrente de gás usando um processo industrial de oxidação parcial ("POX"), suprido com oxigênio, em que o processo global pode resultar na produção líquida de potência recuperável e vendável e emissões limitadas.
Antecedentes
[0003] Hidrogênio é usado em uma série de processos industriais. Por exemplo, hidrogênio é usado para: produção de amônia e subsequentemente ureia, ureia e nitrato de amônio, ácidos nítricos, e fluidos de exaustão de diesel; vários processos de Fischer-Tropsch; produção de alcoóis mistos; produção de alcoóis de aldeído; produção de etanol; e produção de metanol e subsequentemente etanol, éter metil terc-butílico, ácido acético, olefinas, diesel sintético, gasolina, aditivos de gasolina (por exemplo, M100, M85), e éter dimetílico.
[0004] Uma das utilizações mais comuns de hidrogênio é em processo industrial para produção de amônia e ureia. Nitrogênio é um importante nutriente para suportar o desenvolvimento e o crescimento da vida vegetal. Ureia e amônia são dois compostos contendo nitrogênio comuns que são amplamente usados na indústria de fertilizantes, bem como são usados como produtos químicos básicos na produção de uma variedade de diferentes compostos químicos.
[0005] Amônia é um precursor para muitos compostos contendo nitrogênio, inclusive ureia, e portanto é um importante produto químico para a indústria de fertilizantes. Devido a suas muitas utilizações, a amônia é um dos compostos inorgânicos mais altamente produzidos, tipicamente tendo a produção mundial em excesso de 100 milhões de toneladas. Da amônia produzida, aproximadamente 80% ou mais da amônia é utilizada para a fertilização de colheitas agrícolas.
[0006] Ureia (ou carbamida) é um composto orgânico tendo a fórmula química NH2CONH2. Mais de 90% da produção mundial de ureia é para utilização em fertilizantes, uma vez que a ureia tem o maior teor de nitrogênio de todos os fertilizantes azotados sólidos comumente usados. Devido à ampla utilização de ureia em fertilizantes como uma fonte conveniente de nitrogênio, é importante a produção de ureia. Adicionalmente, ureia é uma importante matéria-prima para a fabricação de plásticos, resinas, colas, e produtos farmacêuticos, e também é importante como um produto de ração para animais ruminantes.
[0007] Geralmente, plantas industriais produtoras de fertilizantes à base de ureia e ureia sofrem de altos custos da matéria-prima, excessivos requisitos de energia, e altas emissões. Portanto, existe a necessidade de se desenvolver novos métodos para a produção de hidrogênio usado para a produção de fertilizantes à base de ureia e nitrogênio os quais reduzam os custos e as emissões. Existem necessidades similares para a produção de hidrogênio para outros processos industriais, inclusive vários processos de Fischer-Tropsch; processos para produção de alcoóis mistos; processos para produção de alcoóis de aldeído; processos para produção de etanol; e processos para produção de metanol e subsequentemente etanol, éter metil terc- butílico, ácido acético, olefinas, diesel sintético, gasolina, aditivos de gasolina (por exemplo, M100, M85), e éter dimetílico.
Sumário
[0008] São revelados aqui, neste requerimento de patente, métodos e sistemas abordando as deficiências da arte, e podem proporcionar qualquer número de vantagens adicionais ou alternativas. São especificamente descritos aqui, neste requerimento de patente, sistemas e métodos para produção de hidrogênio.
[0009] Aspectos da presente revelação proporcionam um método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir um gás de síntese, o gás de síntese compreendendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento do gás de síntese para um primeiro reator, o primeiro reator compreendendo um catalisador e é de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono para dióxido de carbono e produzir um gás de síntese modificado; fornecimento do gás de síntese modificado para um segundo reator, o segundo reator compreendendo um catalisador configurado para converter o monóxido de carbono remanescente para dióxido de carbono de modo a produzir um gás de síntese rico em dióxido de carbono; fornecimento do gás de síntese rico em dióxido de carbono do segundo reator para um primeiro condensador de modo a remover água e produzir uma corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono; fornecimento da corrente de hidrogênio e dióxido de carbono para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio puro e gás residual de adsorção por oscilação de pressão; e extração de calor exotérmico para a produção de energia, aquecimento e arrefecimento do processo, ou exportação de vapor.
[00010] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio puro e gás nitrogênio de uma unidade de separação de ar para um quarto reator, o quarto reator compreendendo um catalisador e é configurado de modo a produzir um fluxo do produto amônia. Em modalidades adicionais, o método adicionalmente inclui a etapa de utilização de um gerador de hidrogênio, em que o gerador de hidrogênio produz hidrogênio e oxigênio a partir de um estoque de água, em que o hidrogênio é suprido para o quarto reator e o oxigênio é suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em modalidades ainda adicionais, o método inclui a etapa de utilização da temperatura de saída de gás a frio de uma unidade de refrigeração de amônia para um dissipador de calor.
[00011] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um processo de gás para líquidos de Fischer Tropsch. Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento do gás de síntese ou gás de síntese modificado para um processo de remoção de fuligem para remover fuligem. Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento de no mínimo um entre a matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea, o gás de síntese, ou o gás de síntese modificado para um processo de dessulfurização.
[00012] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono para uma unidade de separação de amina de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro residual e uma corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina. Em modalidades adicionais, a unidade de separação de amina é um sistema multi-pressão com uma ou mais saídas de dióxido de carbono e um ou mais processos de regeneração de amina.
[00013] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro e uma corrente de alto teor de hidrogênio.
[00014] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator, o terceiro reator tendo um catalisador e é configurado para a produção de metano a partir das pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza.
[00015] Em determinadas modalidades, o oxigênio tem uma pureza de no mínimo 93%. Em modalidades adicionais, a composição da corrente de gás contendo hidrogênio e dióxido de carbono tem entre 65 a 80% de hidrogênio, entre 20 a 35% de dióxido de carbono e entre 0 a 8% de monóxido de carbono.
[00016] Em modalidades adicionais, o primeiro e o segundo reatores são substituídos com um ou três reatores.
[00017] Em modalidades adicionais, no mínimo um gás ou gás residual é purgado para a atmosfera, uma célula de combustível, ou um oxidante térmico.
[00018] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um processo selecionado entre o grupo consistindo em um processo para a produção de ureia, nitrato de amônio, ácidos nítricos, fluidos de exaustão de diesel, alcoóis mistos; produção de alcoóis de aldeído, etanol, metanol, éter metil terc-butílico, ácido acético, olefinas, diesel sintético, gasolina, aditivos de gasolina, e éter dimetílico.
[00019] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento da corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono para um sistema de lavagem de modo a diminuir a concentração de amônia e cianeto de hidrogênio na corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono até abaixo de 5 partes por milhão por volume.
[00020] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de reciclo da água removida pelo primeiro condensador.
[00021] Em determinadas modalidades, o método adicionalmente inclui a etapa de utilização de uma unidade de separação de ar de modo a permitir que gases a frio dentro do método sejam usados como um dissipador de calor no método.
[00022] A presente revelação proporciona um método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir um gás de síntese, o gás de síntese inclui dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento do gás de síntese para um primeiro reator, o primeiro reator inclui um catalisador e é configurado de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono para dióxido de carbono e produzir um gás de síntese modificado; fornecimento do gás de síntese modificado para um segundo reator, o segundo reator inclui um catalisador e é configurado para converter o monóxido de carbono remanescente para dióxido de carbono de modo a produzir um gás de síntese rico em dióxido de carbono; fornecimento do gás de síntese rico em dióxido de carbono do segundo reator para um primeiro condensador de modo a remover água e produzir uma corrente de gás inclui hidrogênio e dióxido de carbono; fornecimento da corrente de gás inclui hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro e uma corrente de alto teor de hidrogênio; fornecimento da corrente de alto teor de hidrogênio para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio puro e gás residual de adsorção por oscilação de pressão; e fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator opcional, o terceiro reator inclui um catalisador e é configurado para a produção de metano a partir das pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza.
[00023] Também é proporcionado um método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir um gás de síntese, o gás de síntese inclui dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento do gás de síntese para um primeiro reator, o primeiro reator inclui um catalisador e é configurado de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono para dióxido de carbono e produzir um gás de síntese modificado; fornecimento do gás de síntese modificado para um segundo reator, o segundo reator inclui um catalisador e é configurado para converter o monóxido de carbono remanescente para dióxido de carbono de modo a produzir um gás de síntese rico em dióxido de carbono; fornecimento do gás de síntese rico em dióxido de carbono do segundo reator para um primeiro condensador de modo a remover água e produzir uma corrente de gás que inclui hidrogênio e dióxido de carbono; fornecimento da corrente de gás que inclui hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro e uma corrente de alto teor de hidrogênio; fornecimento da corrente de alto teor de hidrogênio para uma unidade de separação de amina de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro residual e uma corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina; fornecimento da corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio puro e gás residual de adsorção por oscilação de pressão; e fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator opcional, o terceiro reator inclui um catalisador e é configurado para a produção de metano a partir das quantidades menores de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza.
[00024] Em outra modalidade, é proporcionado um método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir um gás de síntese, o gás de síntese inclui dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento do gás de síntese para um primeiro reator, o primeiro reator inclui um catalisador e é configurado de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono para dióxido de carbono e produzir um gás de síntese modificado, o primeiro reator também sendo um reator de deslocamento de gás de água em temperatura média ou reator isotérmico; fornecimento do gás de síntese modificado do primeiro reator para um primeiro condensador de modo a remover água e produzir uma corrente de gás que inclui hidrogênio e dióxido de carbono; fornecimento da corrente de gás que inclui hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro e uma corrente de alto teor de hidrogênio; e fornecimento da corrente de alto teor de hidrogênio para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio puro e gás residual de adsorção por oscilação de pressão. Em modalidades adicionais, o método adicionalmente inclui a etapa de: fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator, o terceiro reator inclui um catalisador e é configurado para a produção de metano a partir das pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza.
[00025] Em outra modalidade é proporcionado um método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir um gás de síntese, o gás de síntese inclui dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento do gás de síntese para um primeiro reator, o primeiro reator inclui um catalisador e é configurado de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono para dióxido de carbono e produzir um gás de síntese modificado, o primeiro reator também sendo um reator de deslocamento de gás de água em temperatura média ou reator isotérmico; fornecimento do gás de síntese modificado do primeiro reator para um primeiro condensador de modo a remover água e produzir uma corrente de gás inclui hidrogênio e dióxido de carbono; fornecimento da corrente de gás inclui hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro e uma corrente de alto teor de hidrogênio; fornecimento da corrente de alto teor de hidrogênio para uma unidade de separação de amina de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro residual e uma corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina; e fornecimento da corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio puro e gás residual de adsorção por oscilação de pressão. Em modalidades adicionais, o método inclui a etapa de: fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator, o terceiro reator inclui um catalisador e é configurado para a produção de metano a partir das pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza. Em modalidades adicionais, o processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo e/ou a unidade de separação de amina são substituídos por um sistema de amina de dois estágios, de vaporização rápida de alta pressão / de baixa pressão que libera dióxido de carbono a partir de amina em duas pressões diferentes com calor aplicado à vaporização rápida de baixa pressão para regenerar a amina.
[00026] Em outra modalidade, é proporcionado um método de produção de hidrogênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir uma primeira corrente de produto contendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, e compostos contendo enxofre; fornecimento da segunda corrente de produto para um reator de deslocamento de gás de água em temperatura média de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono na segunda corrente de produto para dióxido de carbono e de modo a produzir uma terceira corrente de produto; fornecimento da terceira corrente de produto para uma unidade de remoção de dióxido de carbono de modo a produzir uma corrente rica em dióxido de carbono e uma corrente rica em hidrogênio; e fornecimento da corrente rica em hidrogênio para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio altamente puro e um gás residual de adsorção por oscilação de pressão. Em modalidades adicionais, o método inclui a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator, o terceiro reator inclui um catalisador e é configurado para a produção de metano a partir das pequenas quantidades de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza.
[00027] Em outra modalidade, é proporcionado um método de produção de hidrogênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir uma primeira corrente de produto contendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, e compostos contendo enxofre; fornecimento da primeira corrente de produto para uma unidade de remoção de enxofre para remover uma porção substancial dos compostos contendo enxofre da primeira corrente de produto e produzir uma segunda corrente de produto contendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento da segunda corrente de produto para um reator de deslocamento de gás de água em temperatura média de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono na segunda corrente de produto para dióxido de carbono e de modo a produzir uma terceira corrente de produto; fornecimento da terceira corrente de produto para um condensador para remover água e produzir uma corrente de gás contendo hidrogênio e dióxido de carbono; e fornecimento da corrente de gás que inclui hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio altamente puro e um gás residual de adsorção por oscilação de pressão.
[00028] Em uma modalidade adicional, é proporcionado um método de produção de hidrogênio. O método inclui as etapas de: fornecimento de uma matéria-prima carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir uma primeira corrente de produto contendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio, e compostos contendo enxofre; fornecimento da primeira corrente de produto para uma unidade de remoção de enxofre para remover uma porção substancial dos compostos contendo enxofre da primeira corrente de produto e produzir uma segunda corrente de produto contendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecimento da segunda corrente de produto para um reator de deslocamento de gás de água em temperatura média de modo a converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono na segunda corrente de produto para dióxido de carbono e de modo a produzir uma terceira corrente de produto; fornecimento da terceira corrente de produto para uma unidade de remoção de dióxido de carbono de modo a produzir uma corrente rica em dióxido de carbono e uma corrente rica em hidrogênio; e fornecimento da corrente rica em hidrogênio para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio altamente puro e um gás residual de adsorção por oscilação de pressão. Em modalidades adicionais, o método adicionalmente inclui a etapa de fornecimento do gás residual de adsorção por oscilação de pressão para uma unidade de separador de membrana de modo a produzir uma corrente de permeado contendo hidrogênio e uma corrente de reciclo de retentado. Em modalidades adicionais, o método adicionalmente inclui as etapas de: fornecimento da corrente de permeado contendo hidrogênio em uma concentração no mínimo acima de 90 mol% para um reator contendo catalisador de modo a produzir uma corrente de hidrogênio de alta pureza e uma corrente de metano a partir de quantidades menores de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de permeado. Em modalidades adicionais, a unidade de remoção de dióxido de carbono é um reator à base de enzima ou inclui um meio de extração à base de amina.
[00029] Modalidades adicionais dos métodos e processos revelados aqui, neste requerimento de patente, incluem extração de calor exotérmico para a produção de energia, aquecimento e arrefecimento do processo, ou exportação de vapor. Em outras modalidades, gases residuais, inclusive gases residuais, são purgados do processo e são destruídos em uma célula de combustível, um oxidante térmico, queimador de duto, ou queimados com ou sem catalisadores de controle de poluição e com ou sem recuperação de calor residual. Em modalidades adicionais, um processo de remoção de enxofre é empregado para remover enxofre. Em modalidades adicionais, um processo de remoção de fuligem é empregado para remover fuligem. Em modalidades adicionais, o primeiro e o segundo reatores são substituídos com ou um ou três reatores. Em modalidades adicionais, os métodos e processos descritos aqui, neste requerimento de patente, incluem fornecimento da corrente de hidrogênio de alta pureza para um processo de gás para líquidos de Fischer Tropsch, ou um processo para a produção de amônia, ureia, nitrato de amônio, ácidos nítricos, fluidos de exaustão de diesel, alcoóis mistos; produção de alcoóis de aldeído, etanol, metanol, éter metil terc-butílico, ácido acético, olefinas, diesel sintético, gasolina, aditivos de gasolina, ou éter dimetílico. Em modalidades adicionais, os métodos e processos descritos aqui, neste requerimento de patente, utilizam um gerador de hidrogênio, em que o gerador de hidrogênio produz hidrogênio e oxigênio a partir de um estoque de água, em que o hidrogênio é suprido para um quarto reator e o oxigênio é suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em modalidades ainda adicionais, a água recuperada do primeiro e do segundo condensadores é suprida para o gerador de hidrogênio como matéria-prima.
[00030] Em modalidades adicionais, os métodos e processos descritos aqui, neste requerimento de patente, incluem fornecimento da corrente de hidrogênio de alta pureza e gás nitrogênio de uma unidade de separação de ar para um quarto reator, o quarto reator inclui um catalisador e é configurado de modo a produzir um fluxo do produto amônia. Em modalidades adicionais, os gases que saem da unidade de separação de ar são usados como meios para permutadores de calor para gases que saem do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio ou processos associados e dissipadores de calor de carga auxiliar. Em modalidades adicionais, o primeiro e o segundo reatores são substituídos com um ou três reatores. Em modalidades adicionais, uma unidade de separação de ar é empregada para separar nitrogênio e oxigênio do ar, em que o nitrogênio é suprido para o quarto reator e oxigênio é suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio.
[00031] Em modalidades adicionais, os métodos e processos descritos aqui, neste requerimento de patente, incluem a etapa de fornecimento da corrente de hidrogênio de alta pureza do terceiro reator para um segundo condensador o qual é configurado para remover qualquer traço de água presente na corrente de hidrogênio de alta pureza.
[00032] Em modalidades adicionais utilizando uma unidade de separação de amina, a unidade de separação de amina é substituída com um sistema de amina de dois estágios, de vaporização rápida de alta pressão / de baixa pressão que libera dióxido de carbono a partir de amina em duas pressões diferentes com calor aplicado à vaporização rápida de baixa pressão para regenerar a amina.
[00033] Em modalidades adicionais, o terceiro fluxo de produto é suprido para um sistema de lavagem de modo a diminuir a concentração de amônia e cianeto de hidrogênio no terceiro fluxo de produto até abaixo de 5 partes por milhão por volume.
Breve Descrição dos Desenhos
[00034] Modalidades não-limitantes da presente revelação são descritas a título de exemplo com referência às figuras em anexo as quais são esquemáticas e não se destinam a serem desenhadas em escala. A menos que indicado como representando os antecedentes da arte, as figuras representam aspectos da revelação.
[00035] A FIG. 1 mostra uma modalidade de um processo para a produção de hidrogênio de alta pureza para utilização em um processo de modo a produzir amônia e/ou ureia.
[00036] A FIG. 2 mostra uma modalidade do processo a qual emprega um VPSA em conjunto com um PSA.
[00037] A FIG. 3 mostra uma modalidade do processo a qual emprega um VPSA em conjunto com uma unidade de separação de amina e um PSA.
[00038] A FIG. 4 mostra uma modalidade do processo onde o segundo reator não é utilizado.
[00039] As FIGS. 5A e 5B são ilustrações de um método, de acordo com uma modalidade de exemplo da invenção.
Descrição Detalhada
[00040] A presente revelação é aqui descrita em detalhes com referência a modalidades ilustradas nos desenhos, os quais formam uma parte aqui. Outras modalidades podem ser usadas e/ou outras alterações podem ser feitas sem se afastar do espírito ou do âmbito da presente revelação. As modalidades ilustrativas descritas na descrição detalhada não se destinam a ser limitantes do assunto apresentado aqui.
[00041] Agora será feita referência às modalidades de exemplo ilustradas nos desenhos, e linguagem específica será usada aqui para descrever as mesmas. Não obstante será entendido que não se pretende deste modo nenhuma limitação do âmbito da invenção. Devem ser consideradas alterações e modificações adicionais das características originais ilustradas aqui, e aplicações adicionais dos princípios da invenção conforme ilustrado aqui, as quais ocorreriam a uma pessoa versada na arte relevante e tendo posse desta divulgação dentro do âmbito da invenção. Embora a descrição detalhada que se segue contenha muitos detalhes específicos para fins de ilustração, deve ser entendido que uma pessoa com conhecimento ordinário na arte vai reconhecer que muitos exemplos, variações e alterações do processo e equipamento aqui, neste requerimento de patente, estão dentro do âmbito e do espírito da invenção. Por conseguinte, as modalidades de exemplo da invenção descrita aqui, neste requerimento de patente, são estipuladas sem qualquer perda de generalidade, e sem impor limitações, à invenção reivindicada.
Processo de poligeração
[00042] A presente revelação proporciona processos de poligeração para produção de hidrogênio. Conforme usado aqui, neste requerimento de patente, "poligeração" se refere a um processo integrado que tem três ou mais saídas, o qual inclui uma ou mais saídas de energia, produzidas a partir de um ou mais recursos de entrada. O processo de turbina a gás de oxidação parcial ou processo industrial de oxidação parcial gera uma corrente gasosa a quente (isto é, gás de síntese) consistindo em gases de núcleo de monóxido de carbono, dióxido de carbono, e hidrogênio. Em seguida estes gases podem ser supridos para o processo de produção de hidrogênio. Por exemplo, modalidades descritas aqui, neste requerimento de patente, proporcionam um processo de poligeração para a produção combinada de fertilizante à base de ureia e nitrogênio a partir dos subprodutos de um processo de geração de energia de oxidação parcial suprida com oxigênio ou processo industrial de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em determinadas modalidades adicionais, o gás hidrogênio pode ser suplementado com nitrogênio a frio, o qual não tenha sido suprido para processo de gás a quente, de modo a produzir fertilizante à base de amônia e nitrogênio como subprodutos do processo de geração de energia ou de gás industrial.
[00043] Em determinadas modalidades, os equipamentos e processos descritos aqui, neste requerimento de patente, podem incluir looping de poligeração para a produção de energia e calor adicionais a partir da geração de vapor de reação exotérmica. Em determinadas modalidades, o processo pode incluir integração com processos conhecidos de produção de amônia e fertilizante para utilizar os subprodutos da geração de energia e calor para a produção de intermediários de produtos químicos valiosos e e produtos, tais como enxofre, amônia, nitrogênio, hidrogênio, gases nobres, e metais terrosos raros. Em determinadas modalidades, a matéria-prima para o processo é um combustível fóssil ou gás de síntese. Em determinadas modalidades, o combustível fóssil ou gás de síntese é tratado para remover vários contaminantes, conforme descrito abaixo.
[00044] Em determinadas modalidades da presente invenção, uma importante vantagem da invenção descrita aqui, neste requerimento de patente, é a substituição do processo de modificação de vapor para a conversão de combustíveis de metano e hidrocarboneto em gases de síntese e hidrogênio, eficientemente com baixas emissões, para utilizações de processos adicionais. É proporcionada aqui, neste requerimento de patente, a utilização de um processo industrial de geração de energia de oxidação parcial suprida com oxigênio ou de alimentação de oxigênio. Em determinadas modalidades, o sistema proporciona a produção de energia através de geração de energia de oxidação parcial suprida com oxigênio e gaseificação industrial de oxidação parcial suprida com oxigênio da matéria-prima para gás de síntese, e elimina ou reduz significativamente a produção de óxidos nitrosos antes dos produtos da produção de hidrogênio, tais como fertilizantes à base de nitrogênio e amônia. Vantajosamente, a energia produzida pode ser em seguida vendida para compensar o custo de matéria-prima com vendas de energia líquida. Adicionalmente, a utilização de uma unidade de separação de ar e potencial reaquecimento da unidade de refrigeração de amônia vantajosamente permite que os gases de saída a frio sejam usados como um dissipador de calor em vários permutadores de calor e condensadores associados enquanto proporcionando nitrogênio para o processo de amônia e oxigênio para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Adicionalmente, a utilização da unidade de separação de ar e vários permutadores de calor proporciona um método para proporcionar resfriamento para a planta de energia e processos associados industriais em ambientes tendo uma disponibilidade reduzida de água refrigerante, ou em climas quentes.
[00045] Em algumas modalidades, a presente revelação proporciona uma turbina a gás de oxidação parcial suprida com oxigênio que pode produzir energia através de seu gerador de turbina de acionamento direto, uma turbina de expansão, ou outro equipamento acionado que esteja a jusante usando sua pressão de exaustão de descarga para ligar o equipamento e calor a jusante pode ser recuperado para utilização benéfica tal como a produção de vapor; ou um processo industrial de oxidação parcial suprido com oxigênio pode substituir ou estar em paralelo ou em série para a turbina a gás de oxidação parcial e o calor exotérmico do processo de oxidação parcial pode ser recuperado para utilização benéfica tal como a produção de vapor ou energia. A jusante do processo de oxidação parcial, também pode ser usado calor da fabricação de produtos químicos, tal como uma reação de deslocamento de gás de água conforme descrito aqui, neste requerimento de patente, para a produção de hidrogênio
[00046] Uma variedade de esquemas conhecidos de geração de energia de emissão zero de oxidação parcial suprida com oxigênio, foram propostos no passado, tais como os ciclos Matiant e Graz, e podem ser vantajosamente usados na presente invenção para proporcionar uma matéria-prima para a preparação dos compostos de amônia e ureia. Por exemplo, os esquemas propostos nas U.S. Pat. Nos. 5.715.673 e 5.956.937 são baseados em um processo no qual um combustor de alta pressão é queimado com oxigênio, combustível gasoso, e água de modo a produzir um gás de acionamento para uma turbina a vapor. A descarga da turbina pode ser reaquecida em um combustor de pressão intermediário queimado com combustível adicional e oxigênio. A descarga em seguida entra em uma turbina para gerar energia adicional. A descarga pode ser suprida para um condensador para separar a água, e em seguida um efluente rico em dióxido de carbono pode ser ventilado, comprimido, tratado, e vendido ou liberado para um local de sequestração.
[00047] Outro método para operar uma caldeira usando oxidantes enriquecidos com oxigênio é revelado na U.S. Pat. No. 6.314.896; a qual revela de modo geral um método para operar uma caldeira na qual ar enriquecido com oxigênio é introduzidso com um combustível dentro do espaço de combustão dentro de uma caldeira geradora de vapor.
[00048] Outro esquema de exemplo para geração de energia usando vapor e turbinas a gás que pode ser usado foi proposto por Bolland e Saether (vide, ENERGY CONVERSION & MANAGEMENT, Vol. 33, Nov. 5-8, 1992, p. 467). O esquema consiste em suprir um combustor com oxigênio a partir de uma unidade de separação de ar (também referido como uma "ASU"), reagir o oxigênio com combustível, adicionar água ou vapor para controlar a temperatura de saída do combustor, e passar gases combustores através de uma turbina para gerar energia. Neste sistema de recuperação de calor, um fluxo de entrada de água é usado para arrefecer a descarga do compressor principal da unidade de separação de ar.
[00049] Ainda outro esquema que foi proposto revela a utilização de oxidação parcial suprida com combustão de oxigênio em conjunto com um reciclo de água (vide, Yantovskii; PROCEEDINGS OF WORLD CLEAN ENERGY CONFERENCE, Genebra, Suíça, 1991, pp. 571595). Um combustor de alta pressão recebe oxigênio de uma unidade de separação de ar, combustível de hidrocarboneto, e água reciclada de modo a produzir um gás de acionamento de dióxido de carbono / vapor que penetra em uma turbina. Isto é seguido por dois estágios de reaquecimento e expansão. O dióxido de carbono é separado em um condensador, e o condensado é reciclado para o combustor de alta pressão. Os ciclos descritos são supostamente capazes de atingir eficiências relativamente maiores, mas isto depende do desenvolvimento de turbinas a vapor avançadas.
[00050] Em um processo conhecido como o ciclo "Matiant", (vide, PROCEEDINGS OF THIRD INTERNATIONAL CONFERENCE ON CARBON DIOXIDE REMOVAL (ICCDR-3), Boston, 1996), um gás de acionamento para uma turbina a gás é produzido por combustão com oxigênio e dióxido de carbono reciclado. O gás de acionamento penetra em uma turbina operando em pressões e temperaturas características de turbinas a gás. A descarga da turbina penetra em um disposiivo de recuperação de calor, tal como um gerador de vapor de recuperação de calor, é arrefecida, e a água é separada. Uma porção do efluente rico em dióxido de carbono é reciclada para o combustor e o restante é ventilado ou comprimido. Variações deste conceito também incorporam técnicas para liquefazer, aquecer, e expandir o produto dióxido de carbono, conforme revelado, por exemplo, na U.S. Pat. No. 5.802.840. Esquemas similares também são descritos nas U.S. Pat. Nos. 3.736.745; 4.434.613; 4.498.289; 5.175.995; 5.247.791; e 5.265.410.
[00051] Embora estes ciclos pareçam possibilitar maior eficiência da produção de energia, são dependentes do desenvolvimento de turbinas de alta temperatura e alta pressão cada vez maiores, as quais não estão disponíveis atualmente.
[00052] Um exemplo de esquema para a produção de energia é através da "Isothermal Gas Turbine Using Catalytic Partial Oxidation" (N.T.: Turbina a Gás Isotérmica Usando Oxidação Parcial Catalítica) na Patente Internacional WO 91/05946, 2 de maio de 1991 (J.S. Ribesses) e demonstrado pelo Institute of High Temperature (IVTAN) na antiga União Soviética no final dos anos cinquenta. Este esquema demonstrou reatores de oxidação parcial catalítica e combustão do gás através de turbinas a gás de oxidação parcial para gerar energia sem contemplação da produção de fertilizante. Trabalho posterior e corrente pelo Gas Turbine Institute ("GTI") construindo sobre este conceito demonstrou potencial para produção de hidrogênio e aplicações de gás para líquidos de Fischer-Tropsche de uma corrente do gás de síntese de deslizamento, mas não contemplou a síntese de fertilizantes à base de amônia e ureia (Newby, et. al, "An Evaluation of a Partial Oxidation Concept for the Combustion of Turbine Power Systems", ASME paper 97-AA-24, 1997). O esquema similar conforme descrito na U.S. Pat. No. 8.268.896 foi o trabalho resultante dos conceitos prévios, mas requer emissões para a atmosfera de gases contaminantes tais como óxidos nitrosos, utilização de ar natural ou corrente de ar alterada com oxigênio para oxidação de combustível, e não proporcionam captura econômica ou inovadora e reutilização do dióxido de carbono. Modalidades da presente invenção proporcionam equipamento e processos que operam com uma atmosfera de oxigênio para remover gases contaminantes, têm maior eficiência econômica para a produção de gás de síntese, utilização de gás de síntese para produção de amônia com nitrogênio bypassed, e proporcionam um meio para capturar e reusar dióxido de carbono e nitrogênio na produção de fertilizante.
[00053] Em contraste com o ciclo de Matiant, o "Graz Cycle" (vide, ASME paper 95-CTP-79, ASME COGEN-TURBO POWER CONFERENCE, Viena, Áustria (1995), e também no CIMAC paper G07, CIMAC CONFERENCE, Interlaken, Suíça (1995)) descreve um combustor de alta pressão queimado com combustível, oxigênio, vapor, e uma corrente de dióxido de carbono reciclado. A corrente que sai do combustor é expandida em uma turbina de alta pressão e entra em um sistema de recuperação de calor para gerar vapor puro, o qual subsequentemente entra em uma turbina a vapor. A descarga da turbina a vapor em seguida entra no combustor. Depois de recuperação de calor, uma porção da descarga da turbina de alta pressão é comprimida e reciclada de volta para o combustor enquanto a porção remanescente entra em uma turbina de baixa pressão e em um sistema de remoção de água.
[00054] Deve ser entendido que de acordo com várias modalidades descritas aqui, neste requerimento de patente, existirão vários processos de inicialização e desligamento que podem exigir ventilação fora da especificação. Em semelhantes utilizações dos processos descritos aqui, neste requerimento de patente, os gases ventilados podem ser tratados com oxidação ou redução térmica catalítica antes de emissão para a atmosfera. Também deve ser entendido que o processo industrial pode ter cenários de operação de emergência. De acordo com cenários de emergência usando alguns processos descritos aqui, neste requerimento de patente, deve ser entendido que alguns gases podem ser queimados para destruição térmica. Também deve ser entendido que vários processos descritos aqui, neste requerimento de patente, podem ventilar gases ou impurezas que não são considerados contaminantes do ar ou não têm limites de emissões.
Fontes de Combustível
[00055] O combustível que pode ser alimentado para o processo com queima de oxigênio (oxy-fired) inclui metano, gás natural sintetizado, metanol, gás de síntese ("COH"), ou outros combustíveis de hidrocarboneto e subprodutos tais como alcatrão, piche, betume, carvão, coque de petróleo, ou materiais semelhantes que são capazes de serem oxidados em um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio e que podem ser submetidos a limpeza ou remoção de contaminantes. Em algumas modalidades, as fontes de combustível incluem materiais carbonáceos inclusive sólidos, líquidos, ou resíduos orgânicos tais como digestores da produção de biogás. Resíduos sólidos de torrefação ou pirólise vão ser vitrificados ou carregados e reaproveitados para utilização benéfica. As composições de fluxos de produto e o calor podem ser ajustados com o fluxo de combustível, o fluxo de oxigênio, e a duração da permanência no vaso para produzir os gases de síntese ideais para entrar dentro do primeiro permutador de calor. A utilização de alguns combustíveis de hidrocarboneto requer alguns sistemas de remoção para contaminantes contidos nos mesmos.
[00056] Em determinadas modalidades, a torrefação ou pirólise de matérias-primas carbonáceas em um ambiente de oxigênio pode proporcionar o calor e correntes de gás de síntese similares a um bocal de oxidação parcial. Em determinadas modalidades, quando a corrente de gás de síntese da torrefação ou pirólise não for a mesma que o gás de síntese de oxidação parcial, o gás de síntese pode ser adicionalmente parcialmente oxidado conforme descrito aqui, neste requerimento de patente.
[00057] Algumas fontes de combustível podem ser submetidas a limpeza ou remoção de contaminantes uma vez que determinados combustíveis requerem sistemas de remoção para contaminantes contidos nos mesmos.
[00058] Dessulfurização, quando necessário, pode ocorrer antes da admissão de combustível no processo ou pode ser parte do processo depois de oxidação parcial.
Sistemas de Remoção de Contaminantes
[00059] Podem ser usados vários sistemas de remoção de contaminantes em várias modalidades da presente revelação. Os sistemas de remoção de contaminantes podem ser selecionados com base na fonte de combustível suprido para o processo de oxidação parcial com queima de oxigênio. Os sistemas de remoção de contaminantes podem ser dispostos em várias localizações nos processos descritos aqui, neste requerimento de patente, inclusive tanto a montante quanto a jusante do processo com queima de oxigênio. Contaminantes que podem ser removidos incluem fuligem, enxofre e enxofre compostos, metais, e matéria particulada.
[00060] Exemplos de sistemas de remoção de contaminantes de acordo com determinadas modalidades incluem sistemas de remoção de enxofre, tais como alguns catalisadores sacrificiais; calcário a seco; calcário a úmido; solvente; solução de amina; purificação a úmido usando uma pasta de absorvente alcalino, geralmente calcário ou cal, ou água do mar para purificação de gases; cinzas usando uma purificação por pulverização a seco de baghouse usando pastas de absorvente similares; processo de ácido sulfúrico a úmido; sistemas de injeção de sorvente a seco ou precipitador eletrostático, e filtros de vela, filtros de tecido de alta temperatura, ou filtros cerâmicos para a remoção de metais ou matéria particulada, cada um dos quais pode ser adicionado à corrente do tratamento de gases de síntese. Por exemplo, um purificador a úmido de gás de combustão pode substituir o primeiro condensador para remoção de água e polimento a água antes de reintrodução para o ciclo de combustão ou venda. Cada um destes tratamentos de gases de síntese para sistemas empregando outros hidrocarbonetos também pode criar subprodutos vendáveis para o processo. Por exemplo, sistemas de remoção de gases ácidos para enxofre vão produzir enxofre elemental, o qual é benéfico para o tratamento de fertilizante para decomposição de liberação prolongada do fertilizante. Quantidades traço de nitrogênio podem ser purificadas no processo e convertidas para nitrogênio ou amônia.
[00061] Em modalidades adicionais, o sistema de remoção de enxofre inclui um catalisador ou um solvente ou lavagem com água. Adicionalmente, em algumas modalidades, um leito de guarda sacrificial é empregado para remover fuligem ou enxofre. O leito de guarda sacrificial pode ser um componente autônomo ou um componente incorporado dentro de um ou mais dos reatores. Exemplos de sistemas de remoção de contaminantes podem incluir sistemas de remoção de partículas sólidas, tais como ciclones, filtros de vela de cerâmica ou ou sinterizados, precipitadores eletrostáticos ou filtros de tecido, e sistemas de remoção de metal tais como filtros inorgânicos, filtros de tecido, e nanomateriais.
[00062] Em modalidades adicionais, um filtro de partículas pode ser colocado antes dos reatores para remover potencial risco de formação de fuligem devido à presença de carbono livre. Em algumas modalidades, o filtro de partículas é um metal sinterizado, uma cerâmica, um precipitador eletrostático, ou um material de tecido de alta temperatura. Em modalidades adicionais, o filtro de partículas é uma combinação de um leito de guarda de enxofre, um leito de guarda de deslocamento de gás de água, e/ou um catalisador sacrificial.
[00063] Em determinadas modalidades, o sistema de remoção de contaminantes pode ser colocado a jusante do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Por exemplo, um purificador a úmido de gás de combustão pode substituir o primeiro condensador para remoção de água e polimento a água antes de reintrodução para o ciclo de combustão ou venda. Cada um destes tratamentos de gases de síntese para sistemas empregando outros hidrocarbonetos também pode criar subprodutos vendáveis para o processo. Por exemplo, sistemas de remoção de gases ácidos para enxofre vão produzir enxofre elemental, o qual é benéfico para o tratamento de fertilizante para decomposição de liberação prolongada do fertilizante. Quantidades traço de nitrogênio podem ser purificadas no processo e convertidas para nitrogênio ou amônia. Em algumas modalidades, o sistema de remoção de contaminantes pode ser disposto a montante do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em modalidades adicionais, o processo inclui um sistema de remoção de contaminantes a jusante do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em modalidades adicionais, o processo inclui um sistema de remoção de contaminantes tanto a montante quanto a jusante do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em algumas modalidades, os combustíveis de hidrocarboneto contendo enxofre podem ser submetidos a dessulfurização antes de serem tratados no primeiro reator contendo catalisador. O processo de dessulfurização pode incluir calcário a úmido ou a seco, solvente, solução de amina ou outros métodos de dessulfurização da arte, tais como hidrodessulfurização com um ciclo de reaquecimento. O processo de remoção de contaminantes implementado em várias modalidades frequentemente vai ser ditado pelas fontes de combustível e as purezas do produto final desejado. A remoção de enxofre pode ser crucial ao usar catalisadores sensíveis a enxofre nos reatores de deslocamento de gás de água descritos aqui, neste requerimento de patente.
[00064] Em modalidades com dois reatores de deslocamento de gás de água, o sistema de remoção de enxofre pode estar entre os reatores de deslocamento de gás de água consistindo em catalisadores sacrificiais ou um sistema de hidrodessulfurização de calor regenerativo.
Pureza da Corrente
[00065] Em algumas modalidades, o oxigênio suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio tem uma pureza de no mínimo cerca de 95 mol%, alternativamente no mínimo cerca de 99 mol%, alternativamente no mínimo cerca de 99,5 mol%, alternativamente no mínimo cerca de 99,9 mol%.
[00066] Em determinadas modalidades, o processo produz fluxos de produtos altamente puros.
[00067] Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 98 mol%. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 98,5 mol%. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 99,0 mol%. Em algumas modalidades o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 99,5 mol%. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 99,9 mol%. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 99,99 mol%. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio com uma pureza de no mínimo cerca de 99,999 mol%. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 0,5 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 1 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 2 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 5 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 10 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 15 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 20 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que tem menos de 25 ppm de oxigênio elemental. Em outras modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que é livre de nitrogênio. Em outras modalidades, o processo produz uma corrente de hidrogênio que é livre de argônio.
[00068] Em modalidades adicionais, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 99 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99,9 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 85 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 90 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 95,0 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 96 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 97 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 97,5 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 98,5 mol%. Em algumas modalidades, as correntes de dióxido de carbono produzidas têm uma pureza de no mínimo cerca de 99,0 mol%. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono adicionalmente contém água. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono adicionalmente contém argônio. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono adicionalmente contém nitrogênio. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono adicionalmente contém monóxido de carbono.
[00069] Em algumas modalidades envolvendo a utilização das correntes de hidrogênio de modo a produzir amônia, é produzida uma amônia tendo uma pureza de no mínimo cerca de 99 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99,9 mol%.
Sistema para Produção de Hidrogênio para Utilização em Processamento Industrial
[00070] Em determinadas modalidades descritas aqui, neste requerimento de patente, uma única instalação pode incluir somente a produção de corrente de hidrogênio altamente puro. Em semelhantes modalidades, os outros fluxos de produto podem ser alimentados para instalações adicionais para processamento adicional.
[00071] Em modalidades adicionais, a corrente de hidrogênio altamente puro pode ser produzida em uma instalação integrada para determinados processos industriais, tais como processos para produção para amônia e ureia, ureia e nitrato de amônio, ácidos nítricos, e fluidos de exaustão de diesel; vários processos de Fischer-Tropsch; produção de alcoóis mistos; produção de alcoóis de aldeído; produção de etanol; e produção de metanol e subsequentemente etanol, éter metil terc- butílico, ácido acético, olefinas, diesel sintético, gasolina, aditivos de gasolina (por exemplo, M100, M85), e éter dimetílico. Em semelhantes modalidades, a corrente de hidrogênio altamente puro é produzida na mesma instalação, ou no mesmo local que os processos industriais adicionais.
Proporções de Hidrogênio para Carbono
[00072] Em determinadas modalidades, a primeira corrente de produto que sai do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio pode ter uma proporção de hidrogênio para carbono de entre cerca de 2:1 e 4:1, alternativamente entre cerca de 2.5:1 e 3.5:1. Em determinadas modalidades a proporção é entre cerca de 2.9:1 e 3.1:1, alternativamente cerca de 3:1. Em determinadas modalidades, pode ser desejável uma proporção a 3:1 de hidrogênio para carbono para separação adicional de gases de elementos para produzir ureia (NH2CONH2). Determinados parâmetros de projeto e combustível do processo de geração de oxidação parcial suprida com oxigênio ou processo industrial podem requerer uma proporção estequiométrica balanceada na corrente de gás de entrada e portanto precisam que hidrogênio suplementar seja adicionado a alguns processos industriais, tais como o processo de produção de amônia, o qual é um precursor para a produção de fertilizante à base de amônia. Por controle da suplementação de alguns componentes do produto, é possível obter a proporção desejada ou necessária de gases. Matéria prima para a produção de hidrogênio pode incluir água do processo reciclada, água condensada a partir do processo de produção de fertilizante e amônia, água connate, água fresca, água do mar, salmoura, água dessalinizada, água desionizada, ou salmoura desionizada.
Separação de Amina
[00073] Exemplos de processos com queima de oxigênio de ciclo combinado de gaseificação integrada ("IGCC") os quais dependem de separação de aminas de dióxido de carbono e separação mecânica ou de solvente de outros componentes de matéria-prima para proporcionar uma corrente de gás livre de nitrogênio incluem os proporcionados pelos seguintes fornecedores: AlterNRG, Shell, GE/Texaco, British Gas/Lurgi, Destec Energy, ABB, Hitachi, VEW Steinmueller, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), Prenflo/Uhde/Deutsche-Babcock, e Noell/GSP. Estes exemplos de sistemas de IGCC usam gaseificação direta assistida por calor de sólidos para gás de síntese seguida por solvente de amina e separação mecânica de óxidos de nitrogênio e enxofre e geração de energia em um sistema de vapor separado e combustão secundária de gás de síntese através de uma turbina a gás. Esta tecnologia de IGCC não pode obter mais de 90 mol% de eficiência da remoção de dióxido de carbono sem entupir mecanicamente a turbina a gás. As modalidades da presente invenção proporcionadas não provocam recombustão da primeira corrente de produto depois do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio e passam todo o dióxido de carbono através do processo. Em determinadas modalidades, a operação de uma unidade de gaseificação de combustível sólido em condições estequiométricas ou subestequiométricas pode proporcionar o fluxo de produto necessário para o processo de amônia, mas pode ser necessário excesso de energia para produção de vapor e calor para o vaso de reação de gaseificação e a vantagem da eficiência das modalidades descritas aqui, neste requerimento de patente, não seria obtida com sistemas de tratamento de fluxo de produto adicional. Exemplos de turbinas de oxidação parcial suprida com oxigênio para utilização aqui, neste requerimento de patente, incluem, mas não estão limitadas a: Pratt & Whitney Rocketdyne; Siemens SGT-900 (antigamente Westinghouse W251); Clean Energy Systems J79; GasPlas AS; e as descritas nas U.S. Pat. Nos. 5.715.673 e 5.956.937.
[00074] Em determinadas modalidades, o processo de amina pode ser dividido em múltiplos estágios de pressão em que os gases ácidos consistindo principalmente em dióxido de carbono, é capturado (adsorvido em solução) no solvente amina em alta pressão, e condições de menor pressão em cascata nos seguintes vasos vai liberar os gases ácidos para um sistema de coleta de descarga ou ventilação. Cascata de pressão para uma condição de menor pressão vai liberar a maior parte do gás e em seguida permnite que o solvente seja regenerado com menor consumo de calor. O dióxido de carbono liberado pode ser coletado como produto vendável, reutilizado em processo industrial, ou liberado para a atmosfera.
[00075] Em determinadas modalidades, o calor que sai do deslocamento de gás de água na corrente de gás do processo de alto teor de hidrogênio e dióxido de carbono vai satisfazer a demanda de calor para regenerar o solvente amina dentro de um tanque de vaporização rápida de baixa pressão.
Processos exotérmicos
[00076] Em determinadas modalidades, o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é um processo exotérmico realizado sem a utilização de catalisadores. Em outras modalidades, o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é realizado em um reator de oxidação parcial catalítica ou não-catalítica o qual proporciona combustível rico, e oxigênio magro, sob uma reação sub- estequiométrica. O calor gerado aqui, neste requerimento de patente, pode acionar um gerador de turbina a gás de oxidação parcial ou gerador de turbina de expansão, o qual em seguida supre o fluxo de produto para dentro do primeiro permutador de calor. Alternativamente, a turbina a gás de oxidação parcial pode ser substituída com um reator de oxidação parcial e caldeira de calor residual, sem a turbina de expansão e mais energia pode ser gerada pela turbina a vapor. Ambos os sistemas de oxidação parcial produzem calor entre 1200°C e 1500°C, de modo preferencial no mínimo 1400°C a partir de sua reação exotérmica. Este fluxo de produto consiste predominantemente em monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrogênio, água, e gases inertes.
Produção de Hidrogênio
[00077] De acordo com uma modalidade, é proporcionado um método para produção de hidrogênio puro. Conforme mostrado na FIG.1, de acordo com uma modalidade semelhante, a primeira corrente de produto sai da turbina de energia 110 em alta temperatura, tipicamente em uma temperatura que é superior a cerca de 475°C, alternativamente entre cerca de 360°C e 500°C, alternativamente cerca de 495°C, através da linha 114, e incluem uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio, dióxido de carbono, oxigênio, água (por exemplo, como vapor), e gases inertes. Embora o reator de deslocamento de gás de água possa operar em temperaturas menores durante menor capacidade, esta é a condição operacional desejada em operações normais. Em determinadas modalidades, a primeira corrente de saída inclui entre cerca de 35 e 65 mol.% de hidrogênio, entre cerca de 0,5 a 25 mol.% de dióxido de carbono, e entre cerca de 10 e 25 mol.% de monóxido de carbono. Em uma modalidade alternada, a mistura de gases pode incluir entre cerca de 35 e 40 mol.% de hidrogênio, entre cerca de 1 e 3 mol.% de dióxido de carbono, e entre cerca de 17 e 23 mol.% de monóxido de carbono. A exata proporção da primeira corrente de produto depende da exata composição da fonte de combustível de hidrocarboneto (isto é, metano, syngas, ou outra fonte de hidrocarboneto), da quantidade de água injetada através da linha 117 para dessuperaquecimento, e do balanço estequiométrico de oxigênio e combustível suprido para o processo de oxidação parcial 106.
[00078] A conversão de carbono para principalmente monóxido de carbono e dióxido de carbono e hidrogênio para água é possível em um balanço estequiométrico ou um ambiente em excesso de oxigênio na linha 108. Para satisfazer os requisitos para a proporção de vapor para carbono requerida para o processo de deslocamento de gás de água por catalisador específico selecionado, condições de vapor ou água próxima a vapor são adicionadas através da linha 117 ou 136. Em determinadas modalidades, uma proporção a 3:1 de hidrogênio para carbono vai ser obtida na linha 108. Quando a proporção de hidrogênio para carbono é de menos de 3:1, conforme evidenciado por uma falta de hidrogênio livre na linha 108, e conforme também visto pela quantidade de hidrogênio produzido na linha 168, em determinadas modalidades, hidrogênio adicional pode ser suprido pelo gerador de hidrogênio 206 através da linha 212 para o processo de produção de amônia no quarto reator 214 e oxigênio adicional pode ser suprido para processo de oxidação parcial 106 através das linhas 104 e 208. Em determinadas modalidades, o gás de síntese do produto do processo de oxidação parcial pode ter uma proporção de hidrogênio para carbono de entre cerca de 2:1 e 4:1, alternativamente entre cerca de 2.5:1 e 3.5:1. Em determinadas modalidades a proporção é entre cerca de 2.9:1 e 3.1:1, alternativamente cerca de 3:1. Em determinadas modalidades, o processo não limita a proporção de hidrogênio para carbono dentro destes limites, mas são preferenciais para produção e eficiência otimizadas. Nem todas as modalidades vão requerer o gerador de hidrogênio como uma fonte de hidrogênio; a fonte de hidrogênio pode vir de outras fontes industriais quando o suprimento de hidrogênio não é adequado para uma proporção de 3:1. A adição de hidrogênio de um gerador de hidrogênio pode proporcionar hidrogênio adicional, conforme necessário de modo a produzir a proporção desejada de hidrogênio para carbono que entra no ciclo de processo para produção de hidrogênio. Em determinadas modalidades, o fluxo de combustível pode controlar a produção de óxidos de carbono que entram no sistema em balanço estequiométrico ou desequilíbrio com o oxigênio que entra no processo. Em determinadas modalidades, um processo rico em combustível e pobre em oxigênio pode resultar em carbono não combinado sendo formado. Carbono não combinado pode entupir o sistema como negro de fumo ou coque, portanto a proporção de oxigênio e combustível precisa ser controlada para prevenir ou minimizar o carbono não combinado. O processo de oxidação parcial pode ser modificado de modo a otimizar a proporção de componentes na primeira corrente de produto para maior eficiência e proporções desejadas de gás de síntese. Hidrogênio oxidado a partir do gás de síntese vai produzir água, a qual pode ser suprida do condensador para o gerador de hidrogênio para produção de hidrogênio, injetado dentro do quarto reator através da linha 212, retornando o equilíbrio químico de volta a uma proporção para suportar a produção de amônia.
[00079] A primeira corrente de produto na linha 114 opcionalmente pode ser suprida para o primeiro permutador de calor 116 para controlar a temperatura dos gases para processos adicionais. Quando a fonte de combustível é gás de síntese suprido, por exemplo, por um ciclo de gaseificação integrado, dióxido de carbono produzido como um subproduto do processo do ciclo combinado de gaseificação integrado pode ser injetado dentro da linha 194, se o dióxido de carbono for puro, ou dentro da linha 114 se o dióxido de carbono não for puro e tratamento adicional é necessário para limpeza do monóxido de carbono e do dióxido de carbono. O primeiro permutador de calor 116 pode ser de qualquer tipo conhecido na arte, tal como um vapor gerador. O tamanho do primeiro permutador de calor 116 pode ser selecionado com base no resfriamento requerido para reduzir a temperatura da primeira corrente de produto na linha 114. A primeira corrente de produto que sai do primeiro permutador de calor 116 suprida através da linha 118 para o primeiro reator 120, o qual pode incluir um catalisador da reação de deslocamento de gás de água. Em determinadas modalidades, o primeiro reator 120 e/ou segundo reator 128 podem ser substituídos com ou um, dois, ou três reatores capazes de realizar uma reação de deslocamento de gás de água de modo a converter monóxido de carbono para hidrogênio através de um catalisador com uma reação exotérmica pura. O calor da reação deve ser removido através de permutadores de calor externos, ou permutadores de calor integrados ou séries de permutadores de calor integrados ou externos (não mostrados). A primeira corrente de produto sai do primeiro permutador de calor através da linha 118 em uma temperatura selecionada com base nos requisitos do catalisador do primeiro reator. Por exemplo, em determinadas modalidades, o primeiro permutador de calor pode ser configurado para reduzir a temperatura da primeira corrente de produto na linha 114 para menos de cerca de 400°C, alternativamente menos de cerca de 375°C, alternativamente entre cerca de 355°C e 365°C. Em determinadas modalidades, o primeiro permutador de calor pode ser configurado para reduzir a temperatura da primeira corrente de produto na linha 114 para menos de cerca de 300°C, alternativamente menos de cerca de 275°C, alternativamente entre cerca de 255°C e 265°C, ou alternativamente mais de 200°C.
[00080] Por exemplo, em uma modalidade do processo de Haber- Bosch, o catalisador no primeiro reator pode incluir Cr/Fe3O4, requerendo uma temperatura de entrada do gás de síntese de cerca de 360°C. Deve ser entendido que uma pessoa versada na arte pode selecionar catalisadores alternados para os vários reatores descritos aqui, neste requerimento de patente, os quais podem requerer uma temperatura de entrada diferente. Em modalidades empregando o processo de Haber-Bosch, o catalisador presente no primeiro reator 120 converte monóxido de carbono para dióxido de carbono através de uma reação de deslocamento de gás de água: CO+H2O θ CO2+H2.
[00081] O segundo fluxo de produto que sai do primeiro reator 120 pode ser removido através da linha 122 e suprido para o segundo permutador de calor 124. O segundo fluxo de produto inclui gases monóxido de carbono, água, dióxido de carbono e hidrogênio. Em determinadas modalidades, o segundo permutador de calor 124 pode reduzir a temperatura dos gases para menos de cerca de 250°C, alternativamente menos de cerca de 225°C, alternativamente para entre cerca de 205°C e 215°C, ou alternativamente mais de 150°C, ou alternativamente mais de 100°C, dependendo das especificações do catalisador no segundo reator 128.
[00082] Vapor ou água quente suprido através da linha 136 do segundo permutador de calor 124 pode ser aquecido no primeiro permutador de calor 116 enquanto reduzindo a temperatura do gás de saída da turbina através da linha 114. O vapor ou a água da composição podem ser proporcionados para o processo através da linha 117, suprido de uma fonte de água desmineralizada ou como vapor de uma fonte de vapor de cogeneração, de recuperação de calor, ou externa quando vinculado a outros sistemas de poligeração. O vapor descarregado através da linha 142 do primeiro permutador de calor 116 pode ser suprido para o terceiro permutador de calor 150, o qual é em seguida suprido através da linha 152 para o segundo permutador de calor 124 para arrefecer os gases que entram no segundo reator 128. Em algumas modalidades, o vapor descarregado através da linha 142 ou da saída de vapor 121 pode ser usado para regeneração de solvente do processo de remoção de gases ácidos 144 (remoção de dióxido de carbono). O excesso de vapor do primeiro permutador de calor 116 pode ser suprido através da linha 140 e usado para acionar uma turbina a vapor 141 e/ou um compressor 143. Alternativamente, o excesso de vapor removido através da linha 140 pode ser removido do sistema para proporcionar aquecimento para um processo associado através da linha 119.
[00083] A turbina de vapor 141 pode ser acoplada ao compressor 143, o qual pode ser utilizado para cargas de compressão de gás requeridas. Em determinadas modalidades, um motor-gerador pode ser anexado ao mesmo eixo do compressor e operar como um motor para inicializações e desligamentos. O vapor suprido através da linha 140 pode ser usado de modo a converter o motor para um gerador à medida que a pressão de fornecimento supera a carga do compressor, descarregar o motor, e eventualmente suprir torque suficiente para operar tanto o compressor quanto o motor como um compressor e gerador. Em determinadas modalidades, motor-gerador pode incluir anéis deslizantes e escovas ou um gerador de magneto permanente para o magnetismo de campo. Em algumas instalações maiores, unidades de múltiplas turbinas e motores podem ser usados para satisfazer os requisitos de redundância. Assim que os requisitos de redundância são satisfeitos para a confiabilidade das inicializações e dos desligamentos, um gerador de turbina ou compressor de turbina pode ser adicionado para proporcionar geração de energia ou compressão de gás com excesso de vapor. Conforme é entendido por uma pessoa versada na arte, nem todos os eixos de turbina vão incluir unidades de motor-gerador. A uniidade de motor-gerador vantajosamente facilita os processos de inicializações e desligamentos, e pode reduzir tanto o custo do equipamento quanto o número de eixos necessários por peça do equipamento. Em determinadas modalidades, vapor saturado pode ser removido da turbina a vapor 141 e suprido para um condensador, um sistema de vapor de extração, ou para um processo associado. Dióxido de carbono pode ser suprido a partir do primeiro condensador 132 através da linha 134 para compressão pelo compressor 143 através da linha 123, e suprido para o processo de remoção de dióxido de carbono 144 através de uma linha paralela 123. Uma válvula de controle de carga entre as linhas 134 e 123 vai selecionar a carga do compressor caso necessário e ciclar o compressor para o modo de serviço, modo modulado, e fora de serviço (não carregado). Algumas modalidades podem não precisar do compressor se forem usadas turbinas de contrapressão e condensadores para a turbina de energia 110 e o primeiro condensador 132, e se a pressão for adequada para proporcionar fluxo para dentro do processo de remoção de dióxido de carbono 144 através da linha 134 diretamente. Opcionalmente, vapor também pode ser liberado através da saída de vapor 121.
[00084] O segundo fluxo de produto que sai do primeiro reator 120 através da linha 122 é suprido para o segundo permutador de calor 124 de modo a controlar a temperatura dos gases, e em seguida suprido através da linha 126 para o segundo reator 128. Em determinadas modalidades, o segundo reator 128 pode incluir um catalisador operável para expulsar monóxido de carbono no deslocamento de gás de água. Em modalidades empregando o processo de Haber-Bosch, o catalisador no segundo reator 128 pode incluir Cu/ZnO/Cr e pode ser suprido para o reator em uma temperatura de cerca de 210°C. O processo de Haber-Bosch converte o monóxido de carbono remanescente no gás para dióxido de carbono em uma reação de deslocamento de gás de água, CO+H2O θ CO2+H2.
[00085] O terceiro fluxo de produto produzido no segundo reator 128 sai através da linha 130 e pode ser suprido para o primeiro condensador 132. Geralmente, o terceiro fluxo de produto vai ser saturado com vapor d’água. O vapor d’água no primeiro condensador 132 é arrefecido por água gelada suprida através da linha 198, a qual pode ser a mesma arrefecida por vários meios, tais como com gases (por exemplo, nitrogênio) proporcionados pela unidade de separação de ar 180 ou a amônia gelada da planta de refrigeração de amônia. Em determinadas modalidades, o gás nitrogênio da unidade de separação de ar 180 pode ser suprido para o permutador de calor de gás nitrogênio 184 através da linha 182, tendo uma temperatura de entre cerca de 4 a 21°C, ou em algumas modalidades 10 a 40°C, conforme necessário de modo a facilitar a condensação de água dos gases produzidos. A água condensada removida do primeiro condensador 132 através da linha 200 pode ser suprida para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106, para o gerador de hidrogênio 206, para os permutadores de calor, para vendas do excesso de água, ou para um processo associado para produção de ureia, tal como granulação ou peletização (prilling). A água do primeiro condensador 132 também pode ser alimentada através da linha 133 para o permutador de calor de gás nitrogênio 184. Em algumas modalidades, nitrogênio não pode suprir o resfriamento necessário para gelar a água e o permutador de calor de gás nitrogênio 184 é substituído com uma torre de resfriamento ou outro permutador de calor.
[00086] O quarto fluxo de produto que sai do primeiro condensador 132 através da linha 134 através de defletores de separação de ar essencialmente vai incluir uma proporção de hidrogênio e carbono, possivelmente também inclusive quantidades pequenas ou quantidades traço de monóxido de carbono e gases inertes. Em determinadas modalidades, o quarto fluxo de produto inclui cerca de 65 a 75 mol% de hidrogênio, 20 a 30 mol% de dióxido de carbono, 0,5 a 5 mol% de monóxido de carbono, e gases inertes traço. O quarto fluxo de produto suprido através da linha 134 é suprido para processo de remoção de gás de ácido / dióxido de carbono 144. Em determinadas modalidades, uma bomba a vácuo ou um compressor 143 é colocado na linha de remoção de dióxido de carbono 134 para extrair gases dos defletores condensadores e descarragar para o processo de remoção de dióxido de carbono 144 se houver um vácuo no primeiro condensador 132 devido ao colapso do volume de vapor para água. Quando turbinas do tipo de contrapressão são usadas para corresponder aos parâmetros do modelo de turbina ou um processo industrial de oxidação parcial é usado ao invés da turbina a gás de oxidação parcial 110, o fluxo gasoso rico em dióxido de carbono pode não requerer o compressor para transferir gás do condensador para o próximo estágio do processo de remoção de dióxido de carbono devido à pressão positiva mantida no condensador. O processo de remoção de dióxido de carbono 144 remove dióxido de carbono usando um meio de extração ou suprido com solvente, tais como algumas soluções à base de amina, tais como MDEA (metildietanolamina), MEA (monoetanolamina), Ucarsol™, DGA (diglicolamina) e semelhantes. Em determinadas modalidades, o processo de remoção de dióxido de carbono 144 pode empregar o processo de remoção Rectisol™. Em determinadas modalidades, pode ser usada separação mecânica, lavagem com água, ou adsorção por balanço de pressão / temperatura para separar as correntes de hidrogênio e de dióxido de carbono no processo de remoção de dióxido de carbono 144. O dióxido de carbono é em seguida recuperado na unidade de recuperação de dióxido de carbono 190, a qual separa o meio de extração à base de amina do dióxido de carbono. O meio de extração à base de amina pobre em dióxido de carbono pode ser em seguida reciclado através da linha 146 para o processo de remoção de dióxido de carbono 144, o qual pode ciclar o meio de extração em um loop do processo rico e magro. A amina pode ser condensada com água gelada do fluxo do sistema de água gelada suprida através da linha 186, a qual sai da unidade de recuperação de dióxido de carbono 190 através da linha 192. Uma corrente de dióxido de carbono de alta pureza pode ser em seguida suprida para o quinto reator 196 através da linha 194, ou alternativamente pode ser recuperada ou suprida para um processo associado alternado (não mostrado na FIG. 1). A água que sai da unidade de recuperação de dióxido de carbono 190 pode ser alimentada diretamente para o segundo condensador 162 através da linha 192 ou dividida para também ser alimentada para o primeiro condensador 132 através da linha 198.
[00087] O quinto fluxo de produto que sai do processo de remoção de dióxido de carbono 144 inclui gás hidrogênio tendo uma pureza de mais de 90 a 95 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 93 mol%, e dióxido de carbono e monóxido de carbono não capturados. Este fluxo é suprido para o terceiro permutador de calor 150 através da linha 148. Os gases podem ser aquecidos até uma temperatura desejada e supridos através da linha 154 para o terceiro reator 156. O terceiro reator inclui um catalisador adequado para a produção de metano (isto é, metanação). A temperatura até a qual os gases são aquecidos ou arrefecidos é selecionada com base na especificação do catalisador para o catalisador presente no terceiro reator 156. Em algumas modalidades, o terceiro reator (metanador) pode ser precedido ou substituído por um adsorvedor de balanço de pressão (não mostrado na FIG. 1) que pode melhorar a qualidade do fluxo de produto para uma pureza do hidrogênio de mais de 95 mol %, de modo preferencial no mínimo 99 mol%. Uma corrente de reciclo de gás residual do adsorvedor de balanço de pressão pode ser reciclada para o deslocamento de gás de água de modo a converter quantidades traço de monóxido de carbono; enviada para ventilação para remover gases inertes onde permitido pela legislação; ou enviada para um processo de oxidação térmica para destruição e ventilação para a atmosfera com ou sem recuperação de calor (não mostrado na FIG. 1). Uma porção da corrente de reciclo de gás residual pode ser ventilada de modo a purgar o acúmulo de gases inertes através da ventilação para a atmosfera onde permitido pela legislação, ou enviada para um processo de oxidação térmica para destruição, e para a atmosfera com ou sem recuperação de calor.
[00088] Em algumas modalidades, o processo de remoção de dióxido de carbono 144, o terceiro permutador de calor 150, o terceiro reator (metanador) 156 e o condensador 162 podem todos ser substituídos com um adsorvedor de balanço de pressão (não mostrado na FIG. 1.) que vai remover gases contaminantes do fluxo do produto hidrogênio com o gás residual reciclado do adsorvedor para o reator ou reatores de deslocamento de gás de água ou enviado para combustível residual, e pode ter uma corrente de purga para remover o acúmulo de gases inertes através de ventilação para a atmosfera onde permitido pela legislação, ou enviada para um processo de oxidação térmica para destruição e ventilação para a atmosfera com ou sem recuperação de calor (não mostrado na FIG. 1.). Em algumas modalidades, o processo corrente que sai do adsorvedor pode ter uma pureza do gás hidrogênio de mais de 97 mol %, de modo preferencial no mínimo 99 mol % e pode sair do adsorvedor antes do terceiro permutador de calor 150 e do terceiro reator 156 para purificação adicional (isto é, metanação).
[00089] Este terceiro reator 156 converte as quantidades traço remanescentes de dióxido de carbono e monóxido de carbono, junto com hidrogênio, em metano e vapor d’água. O terceiro reator 156 pode incluir um catalisador adequado para a conversão de monóxido de carbono para metano, inclusive os que contêm metais de transição inclusive Ni, Fe, Co, Ru, Mo, etc. dispersos sobre suportes de óxido de metal tais como Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, CeO2, etc., e uma gama de outros catalisadores oxídicos e pré-reduzidos. Em uma modalidade empregado o processo de Haber-Bosch, o catalisador pode incluir Ni/Al2O3 e a temperatura de entrada de gás pode ser de cerca de 325°C. A conversão geralmente ocorre em duas reações primárias, CO+3H2 ^ CH4+H2O e CO2+4H2 ^ CH4+2H2O. Metano e água produzidos pelas reações podem ser removidos através da linha 158 para separação adicional (por exemplo, por adsorção por oscilação de pressão, condensação, tecnologias de membrana, e semelhantes), e retornados para a entrada do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106 como gás combustível.
[00090] Uma corrente de hidrogênio altamente puro, tendo uma pureza conforme descrito acima, sai do terceiro reator 156 através da linha 157 com qualquer excesso de água, é suprida para o segundo condensador 162. A água é condensada e removida através da linha 202, e o hidrogênio altamente puro pode ser em seguida suprido para outros processos industriais.
Produção de Amônia e ureia
[00091] A corrente de hidrogênio altamente puro pode ser suprida para determinados processos industriais. Por exemplo, conforme mostrado na FIG. 1, a corrente de hidrogênio altamente puro é suprida para um processo para produção de amônia e ureia. Em semelhantes modalidades, a corrente de hidrogênio altamente puro é suprida através da linha 168 para o quarto reator 214 para a produção de amônia. A água é condensada a partir da corrente de gás suprida através da linha 157 através de condensação com água gelada através da linha 192. O gás hidrogênio pode sair através de defletores de separação de gás para o processo de amônia através da linha 168. A água condensada pode ser suprida da linha 202 para o gerador de hidrogênio 206, ou combinada através da linha 201 com A água do primeiro condensador 132 para ser suprida para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106. A água do segundo condensador 162 também pode ser alimentada através da linha 164 para o permutador de calor de gás nitrogênio 184 ou dissipador de calor adequado. Em determinadas modalidades, o excesso de água pode ser removido das linhas 200, 201, e/ou 202 (não mostradas), conforme necessário. De modo similar, água da composição pode ser adicionada ao sistema através das linhas 200, 201, e/ou 202 (não mostradas), conforme necessário.
[00092] O quarto reator 214 é suprido com gás hidrogênio do segundo condensador 162 através da linha 168 e do gerador de hidrogênio 206 através da linha 212, se for necessário hidrogênio suplementar. O quarto reator 214 é suprido com gás nitrogênio que sai do permutador de calor de gás nitrogênio 184 através da linha 188, ou diretamente da unidade de separação de ar 180, ou outro suprimento de nitrogênio puro externo. O quarto reator 214 inclui um catalisador adequado para a produção de amônia. Em determinadas modalidades, o catalisador é um catalisador à base de ferro, o qual pode ser estimulado com potássio, cálcio, e alumínio (K2O, CaO e Al2O3). Em determinadas modalidades, o catalisador pode ser uma matriz à base de fibra de carbono com um revestimento de paládio, rutênio, níquel, ródio, ou combinações dos mesmos. Em determinadas modalidades, hidrogênio e nitrogênio são supridos para o reator e passados sobre o catalisador de modo a produzir amônia através da seguinte reação: N2+3H2 θ 2NH3. Em determinadas modalidades, gás hidrogênio da composição pode ser suprido para a linha 168 por outros meios (não mostrado), ou quando excesso de hidrogênio está presente, removido para venda ou suprimento para um processo associado (não mostrado). Em determinadas modalidades, o excesso de nitrogênio pode ser ventilado ou proporcionado para um processo alternado (não mostrado), ou em determinadas modalidades, nitrogênio adicional pode ser adicionado ao sistema (não mostrado) conforme necessário. A amônia do quarto reator 214 é suprida através da linha 216 para o quinto reator 196 para a preparação de ureia, ou extraída para coleta ou suprimento para um processo associado através da linha 218. Em determinadas modalidades, nitrogênio e hidrogênio vão requerer compressão, separadamente ou juntos, para obter a pressão operacional do quarto reator 214 do projeto.
[00093] O quinto reator 196 combina amônia tendo uma pureza de no mínimo cerca de 99 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99,9 mol%, suprida através da linha 216 é combinada com dióxido de carbono tendo uma pureza de no mínimo cerca de 90 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99,9 mol%, suprida através da linha 194 de modo a produzir ureia pela seguinte reação: 2NH3+CO2 θ NH2COONH4 θ NH2CONH2 + H2O. Na reação para a produção de ureia, para cada mol de ureia que é formado, também é produzido um mol de água. Esta água produzida como um subproduto da síntese de ureia, pode ser removida (não mostrado) e vendida ou suprida para um processo associado. O produto de ureia pode ser enviado através da linha 222 para coleta ou processamento adicional, por exemplo peletização e granulação.
[00094] O produto de ureia é concentrado em três métodos diferentes na arte, por concentração a vácuo, cristalização, ou evaporação atmosférica. Para peletização, uma solução de ureia concentrada denominada "fusão" é admitida para um evaporador para reduzir o teor de umidade. A ureia fundida resultante é bombeada para bocais de pulverização de uma torre e passada contra fluxo para a corrente de ar. É formada peletização à medida que gotículas de ureia se combinam e caem através da torre e resfriam. Dois processos primários são atualmente usados na arte utilizando torres de peletização de leito fluidificado e de leito não-fluidificado. Para granulação, ureia fundida é pulverizada para dentro de um tambor ou de uma panela tendo grânulos de semente peneirados a partir da saída do processo. A rotação do tambor ou agitação da panela possibilita estratificação e revestimento de produtos, e a combinação com outros produtos, tais como argila, fosfatos, ou enxofre. O subproduto tanto da granulação quanto da peletização é peneirado por tamanho e o produto pequeno é reciclado para o processo. Grânulos de tamanho apropriado são coletados para armazenamendo e liberação de subprodutos.
Alternativas para Deslocamento de Gás de Água
[00095] Em outro aspecto, é proporcionado um método para a produção de hidrogênio a partir da corrente de gás que sai de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio em que o segundo reator referido acima não é utilizado e ao invés, a corrente de gás de síntese é suprida diretamente para um ou mais permutadores de calor de recuperação de calor ou caldeira de recuperação de calor integrada e em seguida para o primeiro condensador. Em uma modalidade semelhante, uma fonte de combustível de hidrocarboneto, tal como metano, suprido através da linha 102 e oxigênio suprido através da linha 104 são combinados no processo de oxidação parcial 106 de modo a produzir um gás de síntese. O gás de síntese pode ser suprido através da linha 108 para a turbina de energia 110, a qual remove uma porção do calor e produz energia com o gerador de energia 112 conectado a esta. Outras fontes de combustível podem ser usadas, conforme descrito acima. Outros mecanismos de transferência de calor de combustíveis de hidrocarboneto podem incluir uma caldeira (permutador de calor) com um ciclo de vapor secundário ou turbina de alto contaminante para transferir a energia do gás de síntese e passar o gás através da linha 114 para o primeiro permutador de calor 116. Em modalidades adicionais, são empregados sistemas de remoção de contaminantes, conforme descrito acima.
[00096] Em uma modalidade, podem ser usados três reatores de deslocamento de gás de água ao invés de um ou dois reatores de deslocamento. Cada reator vai operar em temperatura em cascata para o reator anterior e aumentam a pureza do teor de gás de síntese hidrogênio do reator anterior. O calor exotérmico da reação vai ser removido por meio de permutador de calor entre ou dentro dos reatores e utilização benéfica suprida conforme descrito na invenção.
Processo Industrial de Oxidação Parcial para Produção de Hidrogênio
[00097] Em outro aspecto, é proporcionado um método para a produção de hidrogênio a partir da corrente de gás de síntese que sai de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio, em que a turbina a gás de oxidação parcial referida acima não é utilizada e ao invés, a corrente de gás de síntese é suprida diretamente para a caldeira de recuperação de calor residual, com a purificação de gás descrita acima, permutadores de calor opcionais, um a três reatores ou reatores de deslocamento de gás de água dependendo do modo e do catalisador selecionados comuns para a arte, e um ou mais permutadores de calor e em seguida para o primeiro condensador. Em uma modalidade semelhante, uma fonte de combustível de hidrocarboneto, tal como metano, suprido através da linha 102 e oxigênio suprido através da linha 104 são combinados no processo de oxidação parcial 106 de modo a produzir um gás de síntese. O gás de síntese pode ser suprido através da linha 108 desviando da turbina de energia 110 para a linha 114 para o primeiro permutador de calor 116, o qual remove uma porção do calor e produz energia com a turbina a vapor 141 e o compressor 143 conectado a isto. Podem ser usadas outras fontes de combustível, conforme descrito acima. Em modalidades adicionais, são empregados sistemas de remoção de contaminantes, conforme descrito acima.
[00098] Gás de síntese sai do processo de oxidação parcial a 1200 a 1500°C, de modo preferencial no mínimo 1400°C, entrando no primeiro permutador de calor 116 para produzir vapor para a turbina a vapor 141 através da linha 140. A temperatura do gás de síntese vai ser reduzida por permutadores de calor para controlar uma temperatura de entrada para as condições de entrada do reator ou reatores de deslocamento de gás de água por catalisador selecionado comum da arte, entre 200°C e 400°, de modo preferencial entre 210°C a 360°C. Embora o reator de deslocamento de gás de água pode operar em temperaturas menores durante menor capacidade, esta é a condição operacional desejada em operações normais. Em determinadas modalidades, a mistura de gases de síntese pode incluir entre cerca de 40 e 65 mol.% de hidrogênio, cerca de 1 a 5 mol.% de dióxido de carbono, e entre cerca de 15 e 30 mol.% de monóxido de carbono. Em uma modalidade alternada, a mistura de gases pode incluir entre cerca de 45 e 55 mol.% de hidrogênio, entre cerca de 2 e 3.2 mol.% de dióxido de carbono, e entre cerca de 25 e 32 mol.% de monóxido de carbono. A proporção exata do gás de síntese depende da exata composição da fonte de combustível (isto é, metano, syngas, ou outra fonte de hidrocarboneto) e do balanço estequiométrico de oxigênio e combustível suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio.
[00099] A produção de hidrogênio adicional continua conforme descrito aqui, neste requerimento de patente, por exemplo, vide acima. De modo similar, a corrente de hidrogênio puro pode ser em seguida suprida para um processo para produção de amônia e/ou ureia, conforme descrito aqui, neste requerimento de patente, por exemplo, vide acima.
Descrição adicional de determinadas modalidades
[000100] Em determinadas modalidades, o fluxo de produto que sai do deslocamento de gás de água proporciona uma corrente concentrada de dióxido de carbono e vapor d’água a qual pode ser condensada para remoção. O dióxido de carbono pode ser adicionalmente suprido para reação com amônia para formação de ureia e/ou usada para outros fins industriais. Nesta modalidade, vapor da caldeira a oxigênio pode proporcionar o calor requerido para um gerador de hidrogênio e água condensada a partir dos fluxos de produtos pode proporcionar a água suplementar para produção de hidrogênio. Oxigênio pode ser suprido a partir da unidade de separação de ar e nitrogênio pode contornar o processo de oxidação parcial e ser injetado dentro do processo de amônia com hidrogênio. Esta modalidade pode encurtar o processo de amônia de Haber-Bosch para um ou dois estágios dependendo da pureza do dióxido de carbono, ao invés de quatro estágios de catalisador.
[000101] Em determinadas modalidades, uma caldeira de oxidação parcial suprida com oxigênio pode ser operada em uma condição rica em combustível. Por exemplo, quando operada com combustíveis à base de metano, o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio produz uma mistura de gases de síntese de dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio. Esta mistura de gases de síntese pode ser suprida diretamente para o primeiro permutador de calor 116 e em seguida para o processo de amônia de Haber Bosch modificado. Outros combustíveis de hidrocarboneto contendo enxofre podem ser submetidos a dessulfurização antes de serem tratados no primeiro reator contendo catalisador. O processo de dessulfurização pode incluir calcário a seco ou a úmido, solvente, remoção catalítica, ou outros métodos de dessulfurização da arte. Determinados métodos de dessulfurização vão estimular a remoção de condensado antes da mudança de gás de monóxido de carbono para dióxido de carbono no processo de Haber Bosch modificado e podem necessitar de correção de temperature no primeiro permutador de calor 116 para estimular a reação de deslocamento de gás de água no primeiro reator contendo catalisador 120.
[000102] Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, podem reduzir o tratamento com gás de síntese de óxidos nitrosos empregando uma unidade de separação de ar, a qual evita que nitrogênio seja suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio, com a exceção de quantidades traço em combustível ou impureza de oxigênio. Nitrogênio na matéria-prima pode ser removido por meios conhecidos, tais como redução catalítica, conversão para amônia, remoção de ácido de condensado, ou outros processos de desnitrogenação conhecidos. O oxigênio suprido para o processo de oxidação parcial pode ter uma pureza de no mínimo cerca de 95 mol%, alternativamente no mínimo cerca de 99 mol%, alternativamente no mínimo cerca de 99,5 mol%, alternativamente no mínimo cerca de 99,9 mol%.
[000103] Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, podem proporcionar vapor para compressão em turbina a vapor, dessalinização, aquecimento e geração de energia combinados, refrigeração por absorção, e/ou cargas industriais e de geração.
[000104] Em determinadas modalidades, o processo pode incluir a utilização de uma caixa a frio de separação de ar para o resfriamento dos dissipadores de calor. Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, podem proporcionar um gás da caixa a frio da unidade de separação de ar ou amônia a frio da unidade de refrigeração de amônia como uma dissipador de refrigeração para obter um ou mais dos seguintes: reduzir o consumo de água (em comparação com resfriamento evaporativo); reduzir perdas de energia devido a resfriamento do ar no ciclo de resfriamento, aumentar a estabilidade do sistema com um dissipador de calor constante e controlável, e aumentar a eficiência do ciclo através de mínima depressão do condensado e contrapressão do condensador controlada; ou como um dissipador de calor externo para sistemas de poligeração conectados. O resfriamento pode ser proporcionado por gases, tais como nitrogênio ou oxigênio que podem refrigerar o meio que passa através do permutador de calor. Subsequentemente, o meio refrigerado pode ser reciclado em um ciclo de loop fechado ou aberto para remover calor de dissipadores de calor dentro do processo, tais como condensadores, e os refrigeradores de óleo de rolamento das turbinas e bombas. A taxa de circulação do meio pode ser controlada através de outros permutadores de calor para reduzir as temperaturas do processo, tal como de modo a produzir água de condensado ou a ajustar a temperatura de uma ou mais correntes sendo supridas para um reator. O meio no loop do sistema de resfriamento pode ser líquido ou gasoso, conforme é sabido na arte. Em determinadas modalidades, é possível usar a corrente de gás que sai da porção da caixa a frio da unidade de separação de ar como o meio de resfriamento descrito aqui, neste requerimento de patente, ao invés de usar um ou mais fluidos intermediários.
[000105] O calor de condensação latente proporcionado pelos gases da caixa a frio de separação de ar reduz os requisitos do consumo de água para resfriamento evaporativo para cargas de calor tais como turbinas a vapor e permutadores de calor. A eliminação de condensadores de ar refrigerado e torres de resfriamento possibilita a produção de energia conforme descrito aqui, neste requerimento de patente, em áreas tendo baixos recursos de água e altas temperaturas ambiente.
[000106] Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, criam uma planta de energia térmica de emissões ultra-baixas. Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, criam uma planta de energia térmica de emissões próximas a zero ou virtualmente zero. Em determinadas modalidades, diferente de inicialização e desligamento de ventilação, manutenção, falha ou erros do equipamento, o processo descrito aqui, neste requerimento de patente, virtualmente não proporciona emissões da planta de energia térmica. Em determinadas modalidades, durante operação contínua os processos descritos aqui, neste requerimento de patente, proporcionam emissões substancialmente desprezíveis na geração de matéria-prima para produção de energia e fertilizante. Dito de outra forma, em determinadas modalidades, durante operação contínua os processos descritos aqui, neste requerimento de patente, proporcionam emissões ultra baixas na geração de matéria-prima para produção de energia e fertilizante.
[000107] Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, reduzem e reaproveitam gases industriais e de estufa produzidos como um produto de geração de energia em compostos químicos contendo nitrogênio, tais como fertilizante.
[000108] Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, podem ser utilizados para a produção de várias formas de fertilizante que incorporam amônia e nitrogênio. Em determinadas modalidades, o equipamento e o processo descritos aqui, neste requerimento de patente, são configurados para produção de ureia ao invés de amônio-nitrato, deste modo reduzindo a incidência de lixiviação de nitratos quando aplicado como um fertilizante. Em determinadas modalidades, o processo inclui uma etapa em que o pélete é revestido com enxofre, deste modo proporcionando um produto tendo um tempo de desintegração aumentado para a ureia, e lixiviação de nitrato minimizada. Em determinadas modalidades, enxofre é removido da matéria-prima e incorporado para tratamento com enxofre do subproduto da ureia. Em determinadas modalidades enxofre é proporcionado para tratamento com enxofre do subproduto da ureia.
[000109] Em determinadas modalidades, o vapor e o condensado produzidos nos processos associados, tais como síntese de ureia ou gaseificação industrial da matéria-prima para gás de síntese, podem ser usados para proporcionar aquecimento ou resfriamento, ou podem ser usados para fins de proporcionar pressurização. A produção de vapor em excesso do vapor gerado a partir da matéria-prima para satisfazer as demandas do processo para o processamento de fluxos de produto pode ser direcionada para cargas auxiliares e usada para gerar energia adicional e ou vendida para um aumento líquido das vendas de energia, ou pode ser suprida para energizar um processo associado. O vapor líquido produziro pelas cargas auxiliares pode ser reciclado no loop de vapor ou retornado para a fonte do vapor. Em determinadas modalidades, a utilização de processos de cogeneração, tais como a inclusão de calor solar térmico, geotérmico, biomassa, ciclo combinado de cogeneração, ou calor residual pode ser integrada com o fluxo de vapor, como na arte. Através da utilização de permutadores de calor e correntes de reciclo, vapor em baixa temperatura ou água (isto é, tendo uma temperatura de entre cerca de 40 e 300°C), ou vapor saturado pode ser aquecido e/ou pressurizado até níveis benéficos, inclusive superaquecimento, através de calor residual gerado por outros processos associados. Maiores temperaturas podem ser direcionadas para o processo de gaseificação para a criação de vapor, ou ser enviadas através da turbina a vapor para produção de energia, ao passo que temperaturas médias e menores podem gerar efeitos de aquecimento ou resfriamento no ciclo termodinâmico. Vapores de alta pressão e alta temperatura que são produzidos em consequência dos processos descritos aqui, neste requerimento de patente, tais como produção de ureia, podem ser adicionados ao sistema de vapor para utilização benéfica tal como a turbina a vapor, e a água e o vapor de baixa temperatura e baixa pressão podem ser retornados através dos sistemas de vapor ou resfriamento. Em determinadas modalidades, cargas esfriadas podem ser atendidas através de looping do processo entre a planta de energia ou industrial, processamento de amônia, processamento de fertilizante, e/ou processos de granulação ou peletização.
[000110] A venda do excesso de energia produzida, ou utilização interna do excesso de energia que é produzida, vai compensar o custo da energia normalmente atribuído ao processo de produção de fertilizantes e reduzir de modo eficaz o custo da matéria-prima e os custos de produção de fertilizantes. Por comparação, quando a modificação de vapor é usada de modo a produzir a matéria-prima para fertilizantes à base de amônia, a matéria-prima de gás natural tipicamente compõe cerca de 70 a 90% do custo total para produzir os fertilizantes, do qual 25 a 40% é usado para gerar valor indireto para o processo de modificação e produzir emissões associadas de sua combustão, ao passo que modalidades da presente revelação não usam uma método de aquecimento indireto e não tem emissões associadas.
[000111] Em determinadas modalidades, ar é suprido para a unidade de separação de ar e nitrogênio é separado antes do processo de oxidação, de tal modo que oxigênio puro ou quase puro é suprido para a etapa de oxidação. Conforme mencionado previamente, o oxigênio suprido para o processo industrial de geração de energia de oxidação parcial suprida com oxigênio ou de alimentação de oxigênio pode ter uma pureza de mais de 95 mol%, alternativamente superior a cerca de 97 mol%, alternativamente superior a cerca de 98 mol%, alternativamente superior a cerca de 99 mol%. Em determinadas modalidades preferenciais, o oxigênio pode ter uma pureza de superior a cerca de 99,99 mol%. Removendo nitrogênio do oxigênio antes do processo de oxidação, a quantidade de energia e escala de equipamento de processo requerido para proporcionar nitrogênio na produção de amônia é reduzida quando comparada com a modificação de vapor.
[000112] A produção de hidrogênio caso suprido a partir de hidrogênio suplementar também pode reduzir a quantidade de oxigênio requerido do gerador de oxigênio, deste modo tornando o gerador de oxigênio menor e portanto uma menor carga elétrica e um menor custo de capital.
[000113] Processos conhecidos ou porções de processos conhecidos para a produção de amônia, tais como o processo de Haber-Bosch, e processos conhecidos para a produção de ureia, tais como o processo de Stami ou Uhde, são exemplos de processos que podem ser utilizados na presente invenção, usando os fluxos de produtos do processo de geração de energia de oxidação parcial suprida com oxigênio ou gaseificação industrial de oxidação parcial suprida com oxigênio para produzir fertilizantes à base de nitrogênio e amônia. Uma variedade de processos de produção de amônia e fertilizante podem ser utilizados vantajosamente, deste modo permitindo a utilização de algumas proporções variáveis de gás de síntese de modo a produzir produtos à base de amônio, tais como ureia, nitrato de amônio, sulfato de amônio, e fosfato de amônio. Estes processos de Haber Bosch conhecidos podem ser otimizados resultantes da remoção de nitrogênio da via de processamento de gás.
[000114] Processos conhecidos ou porções de processos conhecidos para a produção de combustíveis sintéticos, tais como o processo de Fischer Tropsch para fabricar metanol ou diesel sintético ou gasolina são exemplos de processos que podem ser utilizados na presente invenção.
[000115] Em determinadas modalidades, as especificações de catalisadores vão ditar o ajuste da temperatura, da pressão, e da proporção de gases para satisfazer as condições ideais para os processos de Haber-Bosch ou Fischer-Tropsch. Por exemplo, os parâmetros do processo vão ser diferentes para o catalisador à base de ferro, em comparação com catalisadores de rutênio, cobalto, e paládio.
[000116] Geradores de vapor para recuperação de calor podem ser utilizados e podem proporcionar o balanço de temperatura e pressão para os gases do processo, com a taxa de circulação do gás de síntese sendo selecionada com base nas demandas de energia ou vapor. A quantidade de matéria-prima, oxigênio, e água suprido para a zona de reação anter de entrar nos catalisadores e o teor de oxigênio vão controlar o balanço estequiométrico. Também pode ser usada injeção de água, gás, e vapor de modo a controlar os balanços de gás e densidade com loops feedback controlados. O looping do processo pode proporcionar mecanismos para reciclar vapor sob a forma de calor residual e condensado para o processo de geração de energia ou industrial, e entre o processo de amônia e fertilizante, ou o processo de gás para líquidos e hidrogênio. Dissipadores e fontes de calor proporcionam eficiência de loops para condensar água, e para arrefecer e reaquecer gases antes de passar os gases sobre catalisadores nas zonas de reação. Em determinadas modalidades, a água gelada que é usada para arrefecer vários processos, tais como por exemplo para a remoção de condensado, pode receber resfriamento primário de gás nitrogênio que sai da caixa fria da unidade de separação de ar. Água gelada pode ser usada para todos os requisitos de água gelada, e em determinadas modalidades pode ser suplementada com tipos adicionais de resfriamento ou tecnologias.
[000117] Em determinadas modalidades, amônia pode ser produzida pelo processo de Haber-Bosch, em que gases hidrogênio e nitrogênio são passados sobre um catalisador de ferro. Separação de hidrogênio do gás de síntese, concentração do dióxido de carbonoo, remoção de condensado, e controle da temperatura e da pressão podem ser realizados antes de passar hidrogênio sobre o catalisador de ferro e misturar com nitrogênio para formar amônia. Nitrogênio separado pela unidade de separação de ar que desvia do processo de combustão pode ser suprido diretamente para a etapa de produção de amônia. Em determinadas modalidades, o nitrogênio que sai da unidade de separação de ar pode ser utilizado para cargas de resfriamento. Em determinadas modalidades, o excesso de nitrogênio pode ser separado e vendido. Alternativamente, em determinadas modalidades, o excesso de nitrogênio pode ser usado como um meio de resfriamento e ventilado.
[000118] Em uma modalidade direcionada para a produção de ureia, dióxido de carbono comprimido é removido antes da produção de amônia. O dióxido de carbono pode ser então combinado com a amônia para síntese de carbamato de amônio. Calor pode ser suprido a partir de um processo associado, tal como looping do processo de ureia ou vapor auxiliar, e usado para extrair o excesso de dióxido de carbono e amônia do carbamato de amônio. Dois loops de reciclo separados podem ser portanto formados; um primeiro loop para a produção de ureia e água, e o segundo loop para o reciclo do excesso de gases. O excesso de água pode ser removido, por exemplo por evaporação, antes do processo de peletização ou granulação.
[000119] Reações exotérmicas nos processos de ureia descritos aqui, neste requerimento de patente, e as quais produzem vapor e/ou calor, podem descarregas o vapor para o gerador de vapor de recuperação de calor ou equipamento auxiliar. Vapor de pressão e temperatura reduzidos pode ser retornado para recuperação de calor. O resfriamento do processo de produção de fertilizante e amônia pode ser feito com loops de condensado e água gelada no processo de poligeração.
[000120] O excesso de gases produzidos como um subproduto das várias reações descritas aqui, neste requerimento de patente, pode ser recuperado e vendido. Por exemplo, nitrogênio produzido pela unidade de separação de ar 180, e suprido para o permutador de calor de gás nitrogênio 184, pode ser usado para resfriamento e para a produção de amônia. O excesso de nitrogênio pode ser vendido ou pode ser ventilado. Gases inertes podem ser extraídos pela unidade de separação de ar 180, tais como argônio, podem ser vendidos ou ventilados, caso abaixo dos limites de emissão.
[000121] Em determinadas modalidades, a água que retorna para o sistema condensado opcionalmente pode ser desviada para o gerador de hidrogênio 206 através da linha 202. O oxigênio produzido pelo gerador de hidrogênio 206 pode ser suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106 através da linha 208. O hidrogênio produzido pelo gerador de hidrogênio pode ser suprido para o quarto reator 214 para a produção de amônia através da linha 212. O excesso de água suprido para gerador de hidrogênio 206 pode ser recuperado através da linha 210.
Utilização de Adsorção por Oscilação de Pressão a Vácuo e Adsorção por Oscilação de Pressão
[000122] Em outra modalidade, conforme mostrado na FIG. 2, um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo toma o lugar da unidade de remoção de dióxido de carbono em um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio, tal como o processo de remoção de dióxido de carbono 144 na FIG. 1. Em uma modalidade semelhante, o fluxo de produto que sai de um condensador depois de reatores de deslocamento de gás de água em seguida a um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é suprido através da linha 300 até o processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 302 de modo a produzir uma corrente rica em dióxido de carbono 304 e uma corrente rica em hidrogênio 306. A corrente rica em dióxido de carbono 304 inclui dióxido de carbono entre 90 a 99 mol%, de modo preferencial acima de 99,9 mol%. A corrente rica em hidrogênio 306 inclui hidrogênio entre 90 a 95 mol%, de modo preferencial acima de 99 mol%.
[000123] A corrente rica em hidrogênio 306 é suprida para o processo de adsorção por oscilação de pressão 308. O processo de adsorção por oscilação de pressão 308 produz a corrente de hidrogênio puro 310 e o gás residual de adsorção por oscilação de pressão 312. A corrente de hidrogênio puro 310 pode ser em seguida suprida para processos de consumo de hidrogênio, tal como o processo de produção de amônia no quarto reator 214 proporcionado na FIG. 1. O gás residual da adsorção por oscilação de pressão 312 pode ser em seguida reciclado para reatores de deslocamento de gás de água, tais como o primeiro reator 120 e o segundo reator 128 conforme proporcionado na FIG. 1, ou para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106 conforme proporcionado na FIG. 1, ou para ventilação para a atmosfera onde permitido pela legislação, uma célula de combustível, ou um oxidante térmico com ou sem controle de poluição catalítico e com ou sem recuperação de calor. O gás residual da adsorção por oscilação de pressão 312 opcionalmente pode ser suprido para um separador de membrana 314 que produz uma corrente de permeado 316 e uma corrente de retentado 318. A corrente de permeado 316 pode ser suprida para o processo de produção de amônia, tal como o quarto reator 214 proporcionado na FIG. 1. O reciclo de retentado 318 pode ser suprido para reatores de deslocamento de gás de água, tais como o primeiro reator 120 e o segundo reator 128 conforme proporcionado na FIG. 1, ou para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106 conforme proporcionado na FIG. 1. O reciclo de retentado 318 também pode ser purgado e/ou suprido para um oxidante térmico com ou sem um catalisador de modo a converter monóxido de carbono para dióxido de carbono e ventilado para o ar.
[000124] Em outra modalidade, conforme mostrado na FIG. 3, a corrente rica em hidrogênio 326 é alimentada para a unidade de separação de amina 328 de modo a produzir a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 e a corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina 332. A corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina 332 é em seguida suprida para o processo de adsorção por oscilação de pressão 334 conforme descrito acima. Em semelhantes modalidades, um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo é usado em conjunto com uma unidade de remoção de dióxido de carbono à base de solvente em um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Em uma modalidade semelhante, o fluxo de produto que sai de um condensador depois de reatores de deslocamento de gás de água em seguida a um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é suprido através da linha 320 até o processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 322 de modo a produzir uma corrente rica em dióxido de carbono 324 e uma corrente rica em hidrogênio 326. A corrente rica em dióxido de carbono 324 inclui dióxido de carbono entre 90 a 99 mol%, de modo preferencial acima de 99,9 mol%. A corrente rica em hidrogênio 326 inclui hidrogênio entre 90 a 95 mol%, de modo preferencial acima de 99 mol%.
[000125] A corrente rica em hidrogênio 326 é suprida para um processo de remoção de dióxido de carbono, tal como uma unidade de separação de amina 328 de modo a produzir a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 e a corrente rica em hidrogênio tratada com amina 332. A corrente rica em hidrogênio tratada com amina 332 é em seguida suprida para o processo de adsorção por oscilação de pressão 334. O processo de adsorção por oscilação de pressão 334 produz a corrente de hidrogênio puro 336 e gás residual de adsorção por oscilação de pressão 338. A corrente de hidrogênio puro 336 pode ser em seguida suprida para processo de produção de amônia, tal como o quarto reator 214 proporcionado na FIG. 1. O gás residual da adsorção por oscilação de pressão 338 pode ser em seguida reciclado para reatores de deslocamento de gás de água, tais como o primeiro reator 120 e o segundo reator 128 conforme proporcionado na FIG. 1, ou para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106 conforme proporcionado na FIG. 1, ou para ventilação para a atmosfera onde permitido pela legislação, uma célula de combustível, ou um oxidante térmico com ou sem controle de poluição catalítico e com ou sem recuperação de calor. O gás residual da adsorção por oscilação de pressão 338 opcionalmente pode ser suprido para um separador de membrana 340 que produz uma corrente de permeado 342 e uma corrente de retentado 344. A corrente de permeado 342 pode ser suprida para o processo de produção de amônia, tal como o quarto reator 214 proporcionado na FIG. 1. A corrente de retentado 344 pode ser suprida para reatores de deslocamento de gás de água, tais como o primeiro reator 120 e o segundo reator 128 conforme proporcionado na FIG. 1, ou para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 106 conforme proporcionado na FIG. 1. O reciclo de retentado 318 também pode ser purgado e/ou suprido para um oxidante térmico com ou sem um catalisador de modo a converter monóxido de carbono para dióxido de carbono e ventilado para o ar.
[000126] O processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo ("VPSA") pode incluir quaisquer processos de VPSA conhecidos, também conhecidos como adsorção por oscilação a vácuo ("VSA", Vacuum Swing Adsorption). Um processo de VPSA é um processo de separação gasosa que usa adsorventes e manipulação de pressão e temperatura para separar gases; este processo é conduzido sob condições de pressão e vácuo para purgar o gás, usando pressão diferencial e pressão parcial de gás para liberar o gás adsorvido a partir da matriz de coleta. Estes adsorventes tipicamente estão sob a forma de uma peneira molecular, zeólito, porta molecular, ou peneira mecânica. Podem ser usados quaisquer adsorventes úteis conhecidos para separação de gases em modalidades descritas aqui, neste requerimento de patente. Em determinadas modalidades, os adsorventes vão variar com base na composição dos produtos gasosos sendo supridos para o processo de VPSA. Em determinadas modalidades, o processo de VPSA é um processo de estágio único. Em outras modalidades, o processo de VPSA é um processo de duplo estágioprocess. O processo de VPSA pode ter um único leito de adsorvente. Em outras modalidades, o processo de VPSA pode incluir múltiplos leitos de adsorventes. Em determinadas modalidades, o VPSA pode ser operado com um metanador e sem um PSA. Sob esta modalidade, o metanador vai remover o monóxido de carbono e o dióxido de carbono remanescentes para uma pureza de hidrogênio de no mínimo 98 mol%, em alguns casos 99,5 mol %.
[000127] O processo de adsorção por oscilação de pressão ("PSA") pode incluir quaisquer processos de PSA conhecidos. Em geral, um processo de PSA é um processo de separação de gás que usa adsorventes e manipulação de pressão e temperatura para separar gases; este processo é conduzido sob condições de pressão, usando pressão diferencial e pressão parcial de gás para liberar o gás adsorvido a partir da matriz de coleta. Estes adsorventes tipicamente estão sob a forma de um carbono ativado, peneiras moleculares, sílica geis, aluminas ou zeólitos. No entanto, podem ser usados quaisquer adsorventes úteis conhecidos para separação de gases em modalidades descritas aqui, neste requerimento de patente. Corrente rica em dióxido de carbono 304 e 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 podem ser removidas do sistema como um produto vendável ou alimentadas para outros sistemas, tais como sistemas para produção de ureia.
[000128] Separadores de membrana removem hidrogênio do gás residual de adsorção por oscilação de pressão 312 ou 338. Em algumas modalidades, o separador de membrana é um cabo revestido com polímero. Os separadores de membrana referidos podem ser obtidos de numerosos fornecedores. Em modalidades adicionais, o separador de membrana pode ser substituído por, ou usado em conjunto com, um filtro cerâmico ou uma célula de combustível para filtrar ou usar o hidrogênio no gás residual de adsorção por oscilação de pressão 312 ou 338.
[000129] Em algumas modalidades, unidade de separação de amina 328, ou outros processos semelhantes descritos para o processo de remoção de dióxido de carbono 144, podem ser uma etapa adicionada entre o processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 322 e o processo de adsorção por oscilação de pressão 334. Esta adição de uma etapa de separação de amina pode possibilitar remoção do dióxido de carbono remanescente, se n ão for desejada ou necessária recirculação do dióxido de carbono. Em modalidades adicionais, a unidade de separação de amina 328 é realizada usando um separador de amina de baixo volume. Em modalidades adicionais, a unidade de separação de amina 328 é realizada usando separação de amina por compressão. Separação de amina por compressão pode sre empregada quando não é desejada recirculação de dióxido de carbono. Em modalidades adicionais, a unidade de separação de amina 328 pode precisar ser pressurizada de modo a otimizar remoção por amina de dióxido de carbono.
[000130] Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 90 mol% do dióxido de carbono dos vapores gasosos que saem do primeiro condensador 132 que são supridos através da linha 134 para a linha 300 ou 320 são removidos pelo processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 302 ou 322 de modo a produzir a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 91 mol% do dióxido de carbono dos vapores gasosos que saem do primeiro condensador 132 que são supridos através da linha 134 para a linha 300 ou 320 são removidos pelo processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 302 ou 322 de modo a produzir a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 92 mol% do dióxido de carbono dos vapores gasosos que saem do primeiro condensador 132 que são supridos através da linha 134 para a linha 300 ou 320 são removidos pelo processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 302 ou 322 de modo a produzir a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 93 mol% do dióxido de carbono dos vapores gasosos que saem do primeiro condensador 132 que são supridos através da linha 134 para a linha 300 ou 320 são removidos pelo processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo 302 ou 322 de modo a produzir a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324.
[000131] Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 80 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 70 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 81 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 82 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 83 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 84 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 85 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 86 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 87 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 88 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 89 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310. Em algumas modalidades, no mínimo cerca de 90 mol% do hidrogênio na corrente rica em hidrogênio 306 é removido pelo processo de adsorção por oscilação de pressão 308 de modo a produzir a corrente de hidrogênio puro 310.
[000132] Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 90 mol%. Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 95,0 mol%. Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 96 mol%. Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 97 mol%. Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 97,5 mol%. Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 98,5 mol%. Em algumas modalidades, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 e/ou a corrente de dióxido de carbono puro residual 330 tem uma pureza de no mínimo cerca de 99,0 mol%. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 adicionalmente contém água. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 adicionalmente contém argônio. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 adicionalmente contém nitrogênio. Em modalidades adicionais, a corrente rica em dióxido de carbono 304 ou 324 adicionalmente contém monóxido de carbono.
[000133] Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 98 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 98,5 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 99,0 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 99,5 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 99,9 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 99,99 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem uma pureza de no mínimo cerca de 99,999 mol%. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 0,5 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 1 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 2 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 5 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 10 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 15 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 20 ppm de oxigênio elemental. Em algumas modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 tem menos de cerca de 25 ppm de oxigênio elemental. Em outras modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 é livre de nitrogênio. Em outras modalidades, a corrente de hidrogênio puro 310 ou 336 é livre de argônio.
[000134] Vapores gasosos que saem do primeiro condensador 132 que são supridos através da linha 134 para a linha 300 ou 320 podem incluir, em algumas modalidades, entre cerca de 50 a 78 mol% de hidrogênio, cerca de 17 a 37 mol% de dióxido de carbono, e cerca de 0 a 3 mol% de monóxido de carbono.
[000135] Em um aspecto, a presente invenção utiliza os gases efluentes da caixa fria da unidade de separação de ar como dissipadores de calor para resfriamento de gases de exaustão efluentes quentes de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. Apesar de descrito aqui, neste requerimento de patente, como um aspecto da invenção utilizando gases de exaustão de oxidação parcial suprida com oxigênio para a matéria-prima na produção de ureia e outros fertilizantes à base de nitrogênio, deve ser entendido que a utilização de gases da unidade de separação de ar como dissipadores de calor para proporcionar resfriamento pode ser aplicada a qualquer processo que necessite de resfriamento, e que a produção de ureia descrita aqui, neste requerimento de patente, é somente um exemplo. Por exemplo, os gases da unidade de separação de ar também podem ser usados para arrefecimento do ar de entrada de planta de energia de ciclo combinado. O arrefecimento dos permutadores de calor do tratamento do gás ou vapor de descarga pode ser feito com água gelada ou com gases efluentes da caixa fria da passagem da separação de ar através de permutadores de calor, deste modo eliminando a necessidade de água de refrigeração externa para resfriamento evaporativo ou condensadores de ar refrigerado. Em determinadas modalidades, pode ser utilizada qualquer unidade de separação de ar situada próxima a uma planta de energia ou processo de vapor que necessite de resfriamento de tal modo que os gases da caixa fria da unidade de separação de ar proporcionam um dissipador de calor, deste modo evitando o consumo de água que impacta o meio ambiente, ou alternativamente prevenindo requisitos de utilização de energia extra para permutadores de calor resfriados por ar, e custo de capital e de materiais de equipamento extremamente ghrande necessários para proporcionar este resfriamento alternativo.
[000136] Em um aspecto, o primeiro reator 120 pode ser provido com um loop de regeneração de calor para o primeiro permutador de calor 116 para controle da temperatura. Em outra modalidade, calor da reação de deslocamento de gás de água do primeiro permutador de calor 116 e dos segundos permutadores de calor 124 ou do primeiro condensador 132 pode ser usado para regeneração da unidade de recuperação de dióxido de carbono 190.
[000137] Em uma modalidade, a saída de nitrogênio a frio da unidade de refrigeração de amônia pode ser usada como um dissipador de calor para o sistema de água gelada para aumentar a amônia até a temperatura ambiente em armazenamento enquanto reduzindo o consumo de água através de evaporação da água de refrigeração.
Produção de Hidrogênio Usando Turbina a Gás de Oxidação Parcial com Deslocamento de Gás de Água de Único Estágio
[000138] A FIG. 4 ilustra outra modalidade do método para a produção de amônia e/ou ureia a partir dos fluxos de produtos de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio. No método, uma fonte de combustível de hidrocarboneto, tal como metano ou syngas, suprida através da linha 402 e oxigênio suprido através da linha 404 são combinados em um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 406 de modo a produzir uma primeira corrente de produto. A primeira corrente de produto pode ser suprida através da linha 408 para a turbina de energia 410, a qual remove uma porção do calor e produz energia com o gerador de energia 412 conectado a esta. Podem ser usadas outras fontes de combustível, conforme descrito acima. Outros mecanismos de transferência de calor de combustíveis de hidrocarboneto podem incluir uma caldeira (permutador de calor) com um ciclo de vapor secundário ou turbina de alto contaminante para transferir a energia do gás de síntese e passar o gás através da linha 414 para o primeiro permutador de calor 416. Em modalidades adicionais, são empregados sistemas de remoção de contaminantes, conforme descrito acima.
[000139] A primeira corrente de produto sai da turbina de energia 410 em temperatura elevada, tipicamente em uma temperatura que é superior a cerca de 475°C, alternativamente entre cerca de 360°C e 500°C, alternativamente cerca de 495°C, através da linha 414, e inclui uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio, dióxido de carbono, oxigênio, água (por exemplo, como vapor), e gases inertes. Embora o reator de deslocamento de gás de água possa operar em menores temperaturas durante menor capacidade, esta é a condição operacional desejada em operações normais. Em determinadas modalidades, a primeira corrente de saída na linha 414 inclui entre cerca de 35 e 65 mol.% de hidrogênio, cerca de 0,5 a 25 mol.% de dióxido de carbono, e entre cerca de 10 e 25 mol.% de monóxido de carbono. Em uma modalidade alternada, a mistura de gases pode incluir entre cerca de 35 e 40 mol.% de hidrogênio, entre cerca de 1 e 3 mol.% de dióxido de carbono, e entre cerca de 17 e 23 mol.% de monóxido de carbono. A proporção exata da primeira corrente de produto depende da exata composição da fonte de combustível de hidrocarboneto (isto é, metano, syngas, ou outra fonte de hidrocarboneto), da quantidade de água injetada na linha 417 para dessuperaquecimento, e do balanço estequiométrico de oxigênio e combustível suprido para o processo de oxidação parcial 406.
[000140] A conversão de carbono para principalmente monóxido de carbono e dióxido de carbono e hidrogênio para água é possível em um balanço estequiométrico ou em um ambiente de excesso de oxigênio na linha 408. Em determinadas modalidades, uma proporção a 3:1 de hidrogênio para carbono vai ser obtida na linha 408. Quando a proporção de hidrogênio para carbono é de menos de 3:1, conforme evidenciado por uma falta de hidrogênio livre na linha 408, e conforme visto também pela quantidade de hidrogênio produzido na linha 468, em determinadas modalidades, hidrogênio adicional pode ser suprido pelo gerador de hidrogênio 706 através da linha 712 para o processo de produção de amônia no terceiro reator 714 e oxigênio adicional pode ser suprido para o processo de oxidação parcial 406 através das linhas 404 e 708. Em determinadas modalidades, o gás de síntese do produto do processo de oxidação parcial pode ter uma proporção de hidrogênio para carbono de entre cerca de 2:1 e 4:1, alternativamente entre cerca de 2.5:1 e 3.5:1. Em determinadas modalidades a proporção é entre cerca de 2.9:1 e 3.1:1, alternativamente cerca de 3:1. Em determinadas modalidades, o processo não limita a proporção de hidrogênio para carbono dentro detes limites, mas são preferenciais para produção e eficiência otimizadas. Nem todas as modalidades vão requerer o gerador de hidrogênio como uma fonte de hidrogênio; a fonte de hidrogênio pode vir de outras fontes industriais quando o suprimento de hidrogênio não é adequado para uma proporção de 3:1. A adição de hidrogênio de um gerador de hidrogênio pode proporcionar hidrogênio adicional, conforme necessário de modo a produzir a proporção desejada de hidrogênio para carbono que entra no ciclo de processo para produção de hidrogênio. Em determinadas modalidades, o fluxo de combustível pode controlar a produção de óxidos de carbono que entram no sistema em balanço estequiométrico ou desequilíbrio com o oxigênio que entra no processo. Em determinadas modalidades, um processo rico em combustível e pobre em oxigênio pode resultar em carbono não combinado sendo formado. Carbono não combinado pode entupir o sistema como negro de fumo ou coque, portanto a proporção de oxigênio e combustível precisa ser controlada para prevenir ou minimizar o carbono não combinado. O processo de oxidação parcial pode ser modificado de modo a otimizar a proporção de componentes na primeira corrente de produto para maior eficiência e proporções desejadas de gás de síntese. Hidrogênio oxidado a partir do gás de síntese vai produzir água, a qual pode ser suprida do condensador para o gerador de hidrogênio para produção de hidrogênio, injetado dentro do quarto reator através da linha 712, retornando o equilíbrio químico de volta a uma proporção para suportar a produção de amônia.
[000141] Em determinadas modalidades, o fluxo de combustível pode controlar a produção de óxidos de carbono que entram no sistema em balanço estequiométrico ou desequilíbrio com o oxigênio que entra no processo. Em determinadas modalidades, um processo rico em combustível e pobre em oxigênio pode resultar em carbono não combinado sendo formado. Carbono não combinado pode entupir o sistema como negro de fumo ou coque, portanto a proporção de oxigênio e combustível precisa ser controlada para prevenir ou minimizar o carbono não combinado. O processo de oxidação parcial suprido com oxigênio pode ser modificado de modo a otimizar a proporção de componentes na primeira corrente de produto para as maiores proporções de eficêenia e fluxos de produtos desejados.
[000142] A primeira corrente de produto na linha 414 opcionalmente pode ser suprida para o primeiro permutador de calor 416 para controlar a temperatura dos gases para processos adicionais. Quando a fonte de combustível é gás de síntese suprido, por exemplo, por um ciclo de gaseificação integrado, dióxido de carbono produced como um subproduto pode ser injetado dentro da linha 494, se o dióxido de carbono for puro, ou dentro da linha 414 se o dióxido de carbono não for puro e tratamento adicional é necessário para limpeza do monóxido de carbono e do dióxido de carbono. O primeiro permutador de calor 416 pode ser de qualquer tipo conhecido na arte, tal como um gerador de vapor. O tamanho do primeiro permutador de calor 416 pode ser selecionado com base no resfriamento requerido para reduzir a temperatura da primeira corrente de produto na linha 414. A primeira corrente de produto que sai do primeiro permutador de calor 416 suprida através da linha 418 para o primeiro reator 420, o qual é um reator de deslocamento de gás de água em temperatura média ou reator isotérmico e inclui um catalisador de reação de deslocamento isotérmico apropriado. Em determinadas modalidades, pode não haver necessidade de recompressão com um compressor. Existe um menor requisito de vapor, e o vapor pode ser adicionado de volta para o reator de oxidação parcial caso necessário. A primeira corrente de produto sai do primeiro permutador de calor através da linha 418 em uma temperatura selecionada com base nos requisitos do catalisador do primeiro reator. Por exemplo, em determinadas modalidades, o primeiro permutador de calor pode ser configurado para reduzir a temperatura da primeira corrente de produto na linha 414 até menos de cerca de 300°C, alternativamente menos de cerca de 295°C, alternativamente menos de cerca de 290°C, alternativamente menos de cerca de 285°C, alternativamente menos de cerca de 275°C, alternativamente entre cerca de 220°C e 270°C, alternativamente entre cerca de 220°C e 260°C, alternativamente entre cerca de 230°C e 275°C, ou alternativamente entre cerca de 230°C e 250°C. Deve ser entendido que uma pessoa versada na arte pode selecionar catalisadores alternados para os reatores de deslocamento isotérmico descritos aqui, neste requerimento de patente, os quais podem requerer uma temperatura de entrada diferente.
[000143] O segundo fluxo de produto que sai do primeiro reator 420 pode ser suprido para o segundo permutador de calor 424 através da linha 422. O segundo fluxo de produto inclui gases monóxido de carbono, água, dióxido de carbono e hidrogênio. Em determinadas modalidades, o segundo permutador de calor 424 pode reduzir a temperatura dos gases até menos de cerca de 250°C, alternativamente menos de cerca de 225°C, alternativamente até entre cerca de 205°C e 215°C. Em determinadas modalidades, este segundo permutador de calor pode ser removido em sua totalidade e o segundo fluxo de produto pode ser suprido diretamente para um condensador ou um processo de remoção de dióxido de carbono.
[000144] Vapor ou água quente supridos através da linha 436 a partir do segundo permutador de calor 424 podem ser aquecidos no primeiro permutador de calor 416 enquanto reduzindo a temperatura dos gases de exaustão da turbina que saem da turbina de energia 410 através da linha 414. Vapor ou água da composição podem ser proporcionados para o processo através da linha 417, e podem ser supridos a partir de um processo associado. O vapor descarregado através da linha 442 do primeiro permutador de calor 416 pode ser suprido para o terceiro permutador de calor 450, o qual é em seguida suprido através da linha 452 para o segundo permutador de calor 424 ou para a água do mar da caldeira do primeiro reator 420. O excesso de vapor do primeiro permutador de calor 416 pode ser suprido através da linha 440 e usado para acionar a turbina a vapor 441 e/ou o compressor de acionamento 443. Alternativamente, o excesso de vapor removido através da linha 440 pode ser removido do sistema para proporcionar aquecimento para um processo associado através da linha 419.
[000145] A turbina de vapor 441 pode ser acoplada ao compressor de acionamento 443, o qual pode ser utilizado para cargas de compressão de gás requeridas. Em determinadas modalidades, um motor-gerador pode ser anexado ao mesmo eixo do compressor e operar como um motor para inicializações e desligamentos. O vapor suprido através da linha 440 pode ser usado de modo a converter o motor para um gerador à medida que a pressão de fornecimento supera a carga do compressor, descarregar o motor, e eventualmente suprir torque suficiente para operar tanto o compressor quanto o motor como um compressor e gerador. Em determinadas modalidades, motor-gerador podem incluir anéis deslizantes e escovas ou um gerador de magneto permanente para o magnetismo de campo. Em algumas instalações maiores, unidades de múltiplas turbinas e motores podem ser usados para satisfazer os requisitos de redundância. Assim que os requisitos de redundância são satisfeitos para a confiabilidade das inicializações e dos desligamentos, um gerador de turbina ou compressor de turbina pode ser adicionado para proporcionar geração de energia ou compressão de gás com excesso de vapor. Conforme é entendido por uma pessoa versada na arte, nem todos os eixos de turbina vão incluir unidades de motor-gerador. A uniidade de motor-gerador vantajosamente facilita os processos de inicializações e desligamentos, e pode reduzir tanto o custo do equipamento quanto o número de eixos necessários por peça do equipamento. Em determinadas modalidades, vapor saturado pode ser removido da turbina a vapor 441 e suprido para um condensador, ou para um processo associado. Dióxido de carbono pode ser suprido a partir do primeiro condensador 432 através da linha 434 para compressão pelo compressor de acionamento 443 através da linha 423, e suprido para o processo de remoção de dióxido de carbono 444 através de uma linha paralela 423. Uma válvula de controle de carga entre as linhas 434 e a linha 423 vai selecionar a carga do compressor caso necessário e ciclar o compressor para o modo de serviço, modo modulado, e fora de serviço (não carregado). Algumas modalidades podem não precisar do compressor se forem usadas turbinas de contrapressão e condensadores para a turbina de energia 410 e o primeiro condensador 432, e se a pressão for adequada para proporcionar fluxo para dentro do processo de remoção de dióxido de carbono 444 através da linha 434 diretamente. Opcionalmente, vapor também pode ser liberado através da saída de vapor 421.
[000146] O segundo fluxo de produto que sai do primeiro reator 420 através da linha 422 pode ser opcionalmente suprido para o segundo permutador de calor 424 de modo a controlar a temperatura dos gases, e em seguida suprido através da linha 426 para o primeiro condensador 432. Geralmente, o segundo fluxo de produto vai ser saturado com vapor d’água. O vapor d’água no primeiro condensador 432 é arrefecido por água gelada suprida através da linha 498, a qual pode ser a mesma arrefecida por vários meios, tais como com gases (por exemplo, nitrogênio) proporcionados pela unidade de separação de ar 480. Em determinadas modalidades, o gás nitrogênio da unidade de separação de ar 480 pode ser suprido para o permutador de calor de gás nitrogênio 484 através da linha 482, tendo uma temperatura de entre cerca de 4 a 21°C, ou em algumas modalidades 10 a 40°C, conforme necessário de modo a facilitar a condensação de água dos gases produzidos. A água condensada removida do primeiro condensador 432 através da linha 700 pode ser suprida para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 406, para o gerador de hidrogênio 706, para os permutadores de calor, para vendas do excesso de água, ou para um processo associado para produção de ureia, tal como granulação ou peletização. A água do primeiro condensador 432 também pode ser alimentada através da linha 433 para o permutador de calor de gás nitrogênio 484.
[000147] O terceiro fluxo de produto que sai do primeiro condensador 432 através da linha 434 através de defletores de separação de ar essencialmente vai incluir uma proporção de hidrogênio e carbono, possivelmente também inclusive quantidades pequenas ou quantidades traço de monóxido de carbono e gases inertes. Em determinadas modalidades, o terceiro fluxo de produto inclui cerca de 65 a 75 mol% de hidrogênio, cerca de 20 a 30 mol% de dióxido de carbono, cerca de 1 a 5 mol% de monóxido de carbono, e gases inertes traço. O terceiro fluxo de produto suprido através da linha 434 é suprido para o processo de remoção de dióxido de carbono 444. Em determinadas modalidades, uma bomba a vácuo ou compressor de acionamento 443 é colocada na linha de remoção de dióxido de carbono 434 para extrair gases dos defletores condensadores e descarragar para o processo de remoção de dióxido de carbono 444 se houver um vácuo no primeiro condensador 432 devido ao colapso do volume de vapor para água. Quando turbinas do tipo de contrapressão são usadas para corresponder aos parâmetros de projeto das turbinas, o fluxo de gás rico em dióxido de carbono pode não requerer que o compressor transfira gás do condensador para o estágio seguinte do processo de remoção de dióxido de carbono devido à pressão positiva mantida no condensador.
[000148] Em determinadas modalidades, o processo de remoção de dióxido de carbono 444 remove dióxido de carbono usando um meio de extração suprido, tal como algumas soluções à base de amina, tais como MDEA (metildietanolamina), MEA (monoetanolamina), Ucarsol™, DGA (diglicolamina) e semelhantes. Em determinadas modalidades, o processo de remoção de dióxido de carbono 444 pode empregar o processo de remoção Rectisol™. Em determinadas modalidades, separação mecânica, lavagem com água, ou adsorção por balanço de pressão / temperatura, ou adsorção por oscilação a vácuo, ou combinações das mesmas podem ser usadas para separar as correntes de hidrogênio e de dióxido de carbono como parte do processo de remoção de dióxido de carbono. O dióxido de carbono é em seguida recuperado na unidade de recuperação de dióxido de carbono 490, a qual separa o meio de extração à base de amina do dióxido de carbono. O meio de extração à base de amina pobre em dióxido de carbono pode ser em seguida reciclado através da linha 446 para o processo de remoção de dióxido de carbono 444, o qual pode ciclar o meio de extração em um loop do processo rico e magro. A amina pode ser condensada com água gelada do fluxo do sistema de água gelada suprida através da linha 486, a qual sai da unidade de recuperação de dióxido de carbono 490 através da linha 492. Uma corrente de dióxido de carbono de alta pureza pode ser em seguida suprida para o quarto reator 496 através da linha 494, ou alternativamente pode ser recuperada ou suprida para um processo associado alternado (não mostrado na FIG. 4). A água que sai da unidade de recuperação de dióxido de carbono 490 pode ser alimentada diretamente para o segundo condensador 462 através da linha 492 ou dividida para também ser alimentada para o primeiro condensador 432 através da linha 498.
[000149] O quarto fluxo de produto que sai do processo de remoção de dióxido de carbono 444 inclui gás hidrogênio tendo uma pureza de superior a cerca de 95 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99 mol%, e dióxido de carbono e monóxido de carbono não capturados. Este fluxo é suprido para o terceiro permutador de calor 450 através da linha 448. Os gases podem ser aquecidos até uma temperatura desejada e supridos através da linha 454 para o segundo reator 456. O segundo reator inclui um catalisador adequado para a produção de metano (isto é, metanação). A temperatura até a qual os gases são aquecidos ou arrefecidos é selecionada com base na especificação do catalisador para o catalisador presente no segundo reator 456.
[000150] Este segundo reator 456 converte as quantidades traço remanescentes de dióxido de carbono e monóxido de carbono, junto com hidrogênio, em metano e vapor d’água. O segundo reator 456 pode incluir um catalisador adequado para a conversão de monóxido de carbono para metano, inclusive os que contêm metais de transição inclusive Ni, Fe, Co, Ru, Mo, etc. dispersos sobre suportes de óxido de metal tais como Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, CeO2, etc., e uma gama de outros catalisadores oxídicos e pré-reduzidos. Em uma modalidade empregado o processo de Haber-Bosch, o catalisador pode incluir Ni/Al2O3 e a temperatura de entrada de gás pode ser de cerca de 325°C. A conversão geralmente ocorre em duas reações primárias, CO+3H2 ^ CH4+H2O e CO2+4H2 ^ CH4+2H2O. Metano e água produzidos pelas reações podem ser removidos através da linha 458 para separação adicional (por exemplo, por adsorção por oscilação de pressão (PSA), condensação, tecnologias de membrana, e semelhantes), e retornados para a entrada do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 406 como gás combustível.
[000151] Uma corrente de hidrogênio altamente puro, tendo uma pureza de no mínimo cerca de 98,0 mol% que sai do segundo reator 456 através da linha 457 com qualquer excesso de água, é suprido para o segundo condensador 462. A água é condensada e removida através da linha 702, e o hidrogênio altamente puro é suprido através da linha 468 para o terceiro reator 714 para a produção de amônia. A água é condensada a partir da corrente de gás suprida através da linha 457 através de condensação com água gelada através da linha 492. O gás hidrogênio pode sair através de defletores de separação de gás para o processo de amônia através da linha 468. Água condensada pode ser suprida da linha 702 para o gerador de hidrogênio 706, ou combinada através da linha 701 com água do primeiro condensador 432 a ser suprida para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio 406. A água do segundo condensador 462 também pode ser alimentada através da linha 464 para o permutador de calor de gás nitrogênio 484. Em determinadas modalidades, o excesso de água pode ser removido das linhas 700, 701, e/ou 702 (não mostrado), conforme necessário. De modo similar, água da composição pode ser adicionada ao sistema através das linhas 700, 701, e/ou 702 (não mostrado), conforme necessário.
[000152] O terceiro reator 714 é suprido com gás hidrogênio do segundo condensador 462 através da linha 468 e do gerador de hidrogênio 706 através da linha 712, se for necessário hidrogênio suplementar. O terceiro reator 714 é suprido com gás nitrogênio que sai do permutador de calor de gás nitrogênio 484 através da linha 488. O terceiro reator 714 inclui um catalisador adequado para a produção de amônia. Em determinadas modalidades, o catalisador é um catalisador à base de ferro, o qual pode ser estimulado com potássio, cálcio, e alumínio (K2O, CaO e Al2O3). Em determinadas modalidades, o catalisador pode ser uma matriz à base de fibra de carbono com um revestimento de paládio, rutênio, níquel, ródio, ou combinações dos mesmos. Em determinadas modalidades, hidrogênio e nitrogênio são supridos para o reator e passados sobre o catalisador de modo a produzir amônia através da seguinte reação: N2+3H2 θ 2NH3. Em determinadas modalidades, gás hidrogênio da composição pode ser suprido para a linha 468 por outros meios (não mostrado), ou quando excesso de hidrogênio está presente, removido para venda ou suprimento para um processo associado (não mostrado). Em determinadas modalidades, o excesso de nitrogênio pode ser ventilado ou proporcionado para um processo alternado (não mostrado), ou em determinadas modalidades, nitrogênio adicional pode ser adicionado ao sistema (não mostrado) conforme necessário. A amônia do terceiro reator 714 é suprida através da linha 716 para o quarto reator 496 para a preparação de ureia, ou extraída para coleta ou suprimento para um processo associado através da linha 718.
[000153] No quarto reator 496 amônia, tendo uma pureza de no mínimo cerca de 99 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99,9 mol%, suprida através da linha 716, é combinda com dióxido de carbono, tendo uma pureza de no mínimo cerca de 99 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99,9 mol%, suprida através da linha 494 de modo a produzir ureia pela seguinte reação: 2NH3+CO2 θ NH2COONH4 θ NH2CONH2 + H2O. Na reação para a produção de ureia, para cada mol de ureia que é formado, também é produzido um mol de água. Esta água produzida como um subproduto da síntese de ureia, pode ser removida (não mostrado) e vendida ou suprida para um processo associado. O produto ureia pode ser enviado através da linha 722 para coleta ou processamento adicional, por exemplo peletização e granulação. Processamento adicional para estas modalidades particulares é conforme descrito acima.
Processo Industrial de Oxidação Parcial com Processo de Reação de Deslocamento Isotérmico
[000154] Algumas modalidades do método incluem um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio acoplado com um processo de reação de deslocamento isotérmico. As Figs. 5A e 5B são ilustrações de um método, de acordo com esta modalidade exemplar da invenção. Aqui, uma matéria-prima de hidrocarboneto é suprida através da linha 501 para um compressor 502. A matéria-prima comprimida de saída é suprida através da linha 503 para um processo de reator de oxidação parcial suprido com oxigênio 509. Oxigênio que sai de uma unidade de separação de ar através da linha 504 é opcionalmente suprido para um permutador de calor 505. Vapor em alta pressão é suprido através da linha 507 para o permutador de calor 505 e a corrente de oxigênio ajustada pela temperatura é suprida para o processo de reator de oxidação parcial suprido com oxigênio 509 de modo a produzir uma primeira corrente de produto. Vapor superaquecido é suprido através da linha 508 para o processo de reator de oxidação parcial suprido com oxigênio 509. A primeira corrente de produto que sai do processo de reator de oxidação parcial suprido com oxigênio 509 é suprida através da linha 510 para uma caldeira de calor residual 511. A água de alimentação da caldeira de alta pressão é suprida através da linha 519 para a caldeira de calor residual 511 e vapor em alta pressão é suprido através da linha 512 para a turbina 515 e o gerador 518; este vapor também pode ser extraído do processo através da linha 513 para utilização em outra parte no sistema ou suplementado com vapor superaquecido através da linha 514. Vapor em baixa pressão e vapor de vácuo saem da turbina 515 através da linha 516 e 517. Uma segunda corrente de produto produzida por processamento da primeira corrente de produto sai da caldeira de calor residual 511 através da linha 520 para um processo de remoção de fuligem 521.
[000155] O segundo fluxo de produto depois da remoção de fuligem sai através da linha 522 e é suprido para um processo de remoção de enxofre 523. Em determinadas modalidades, o processo de remoção de enxofre é colocado a montante do processo de oxidação parcial. Mas a disposição do processo de remoção de enxofre 523 a jusante do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio permite que o enxofre haja como um lubrificante no processo de oxidação parcial suprido com oxigênio, e também reduz os custos de energia. Exemplos de sistemas de remoção de enxofre incluem purificação a úmido usando uma lama de absorvente alcalino, geralmente calcário ou cal, ou água do mar para purificação de gases; purificação por pulverização a seco usando lamas absorventes similares; processo de ácido sulfúrico a úmido; e sistemas de injeção de sorvente a seco. Em modalidades adicionais, o sistema de remoção de enxofre inclui um catalisador ou um solvente ou lavagem com água.
[000156] O terceiro fluxo de produto sai do processo de remoção de enxofre através da linha 524 e é opcionalmente submetido ao permutador de calor 525. O permutador de calor é suprido com água de alimentação da caldeira 526. Vapor em pressão média alta e vapor em alta pressão são supridos através das linhas 527 e 528 para o terceiro fluxo de produto para ajustar a temperatura da corrente suprido para o conversor de deslocamento isotérmico 530. A água de alimentação da caldeira de pressão média alta é suprida para o vaso do conversor de deslocamento isotérmico através da linha 532 e vapor em pressão média alta cicla para fora através da linha 531. O quarto fluxo de produto de saída depois do processamento no conversor de deslocamento isotérmico 530 é suprido para o processo de geração de vapor 534 e processado através de uma série de unidades de recuperação de calor ou condensadores de syngas 538, 541 e 545.
[000157] O quarto fluxo de produto que sai dos condensadores de syngas através da linha 548 é suprido para um sistema de lavagem de NH3/HCN 549 para remover NH3 e HCN e obter um quinto fluxo de produto. Água desmineralizada é suprida para o sistema de lavagem de NH3/HCN 549 e a água residual é removida através da linha 551. Em determinadas modalidades, este quinto fluxo de produto inclui cerca de 65 a 75 mol% de hidrogênio, 20 a 30 mol% de dióxido de carbono, 0,5 a 5 mol% de monóxido de carbono, e gases inertes traço, e é suprido para através da linha 552 para o processo de remoção de dióxido de carbono 553. A água da composição e amina e vapor em baixa pressão são supridos através das linhas 554 e 555 para o vaso de remoção de dióxido de carbono. Em determinadas modalidades, separação mecânica, lavagem com água, ou adsorção por balanço de pressão / temperatura, ou adsorção por oscilação a vácuo, ou separação de dióxido de carbono à base de enzima, ou combinações dos mesmos podem ser usadas para separar as correntes de hidrogênio e de dióxido de carbono como parte do processo de remoção de dióxido de carbono. Uma corrente de dióxido de carbono de alta pureza sai do processo de remoção de dióxido de carbono 553 através da linha 557. Por exemplo, processamento de dióxido de carbono à base de enzima pode envolver enzimas anidrase carbônica personalizadas junto com alguns solventes para captura de carbono. As quantidades de solvente requeridas podem ser reduzidas e o calor requerido para liberação de dióxido de carbono também pode ser reduzido. A adição destes sistemas de processamento de CO2 reduz o custo operacional e a utilização de energia, e aumenta a saída de eletricidade da planta.
[000158] Em determinadas modalidades, o sexto fluxo de produto que sai do processo de remoção de dióxido de carbono 553 inclui gás hidrogênio tendo uma pureza de mais de 95 mol%, de modo preferencial no mínimo cerca de 99 mol %, e dióxido de carbono e monóxido de carbono não capturados. Este fluxo é suprido através da linha 558 opcionalmente para uma unidade de processamento / recuperação de dióxido de carbono à base de enzima 559, com propriedades conforme descrito acima.
[000159] Em determinadas modalidades, o sexto fluxo de produto pode ser diretamente suprido para uma unidade de adsorção por oscilação de pressão 561 de modo a produzir uma corrente de hidrogênio altamente puro e uma corrente de gás da cauda da PSA. A corrente de hidrogênio altamente puro que sai da unidade de adsorção por oscilação de pressão 561 é suprida para a unidade de secadora de filtro 562 e através da linha 563 para o compressor 588 para liberação adicional para a produção de amônia. Em determinadas modalidades, a corrente de hidrogênio altamente puro tem uma pureza de no mínimo cerca de 98,0 mol%. A corrente de gás da cauda da PSA pode incluir, por exemplo, hidrogênio a cerca de 73 mol%, nitrogênio a cerca de 7 mol%, monóxido de carbono a cerca de 9 mol%, argônio a cerca de 8 mol%, e água a cerca de 0,8 mol%. A corrente de gás da cauda da PSA pode ser adicionalmente suprida para a unidade 564, a qual pode ser por exemplo um separador, e em seguida através das linhas 565 e 567 para o compressor 566 e o refrigerador 568. A corrente de gás da cauda da PSA do compressed é em seguida suprida através da linha 569 para uma unidade de separador de membrana opcional 570. A corrente de retentado 571 da unidade de separador de membrana 570 pode ser adicionalmente suprida para um compressor 605 e suprida de volta para o fluxo de produto 529. A corrente de permeado 572 pode ser adicinloamente suprida para um compressor 573 e os permutadores de calor 575 e 576, e adicionalmente proporcionada para um metanador 577. Este metanador 577 converte as quantidades traço remanescentes de dióxido de carbono e monóxido de carbono, em metano e água. Metano e água produzidos pelas reações podem ser removidos para separação adicional (por exemplo, por adsorção por oscilação de pressão (PSA), condensação, tecnologias de membrana, e semelhantes), e retornados para a entrada do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio como gás combustível.
[000160] Em determinadas modalidades, o gás residual do compressor 566 é direcionado para a entrada do reator de deslocamento isotérmico 530 e uma corrente de purga para remover o acúmulo de gases inertes pode ser enviada para um oxidante térmico com ou sem recuperação de calor e com ou sem redução catalítica ou ventilado para a atmosfera onde permitido pela legislação. Nesta modalidade, não seriam usados o separador de membrana e sistemas a jusante.
[000161] Uma corrente de hidrogênio altamente puro, tendo uma pureza de no mínimo cerca de 98,0 mol% saindo do metanador 577 através da linha 578 com qualquer excesso de água, é suprida para a unidade de geração de vapor 579 e em seguida suprida através da linha 580 para um processo de resfriamento de hidrogênio mediado pelos permutadores de calor 581 e 582. O hidrogênio altamente puro é suprido através da linha 583 para a unidade de remoção de água 584, tal como um pacote de peneiras moleculares de desidratação. A água residual é removida através da linha 586 e a corrente de hidrogênio altamente puro é suprida através da linha 585 para a linha 563 para o compressor 588 para liberação adicional para a produção de amônia.
[000162] Corrente de hidrogênio altamente puro, liberada através da linha 589 do compressor 588 é combinada com gás nitrogênio suprido da unidade de separação de ar através da linha 590 e aquecida até temperaturas apropriadas através da utilização de permutadores de calor. O gás nitrogênio da unidade de separação de ar, por exemplo, pode incluir nitrogênio a cerca de 99,9 mol% com cerca de 10 ppmv de oxigênio, e 1 ppmv de água. Esta mistura gasosa de nitrogênio e hidrogênio é suprida para o reator catalítico 597 para formar amônia líquida anídrica. Esta etapa é conhecida como o loop de síntese de amônia. Amônia sai através da linha 598 e passa através de uma série de permutadores de calor 592 e 593. Qualquer hidrogênio residual é separado da corrente de amônia no separador 599 e reciclado através da linha 600 para o processo de produção de amônia. A corrente de amônia é adicionalmente processada na unidade 601, a qual pode ser um separador. Gás de ventilação consistindo em argônio, nitrogênio, e hidrogênio e amônia é deixado para queimar, ser processado como combustível residual em processo de destruição térmica, ou ventilado para a atmosfera onde permitido pela legislação através da linha 602. Amônia pura sai através da linha 603 para tanques de armazenamento 604, ou para produção adicional de fertilizantes tais como ureia.
[000163] Determinadas modalidades do método incluem fornecimento da matéria-prima de gás natural para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio, e em seguida fornecimento da fluxo de produto do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio para um reator de deslocamento isotérmico. A saída do reator de deslocamento isotérmico é submetida a um processo de remoção de dióxido de carbono conforme discutido acima, e em seguida a corrente rica em hidrogênio é submetida a metanação direta, sem a utilização da PSA ou das unidades de separador de membrana. Esta modalidade leva a uma diminuição no custo de capital, no consumo de energia, e nas emissões de CO.
[000164] Os exemplos que se seguem são proporcionar para ilustrar mais plenamente algumas das modalidades reveladas acima. Deve ser reconhecido por pessoas versadas na arte que os métodos revelados no exemplo que se seguem representam técnicas que constituem modos ilustrativos para a prática da invenção. Pessoas versadas na arte, à luz da presente revelação, vão reconhecer que podem ser feitas muitas modificações nas modalidades específicas que são reveladas e ainda obter um resultado igual ou similar sem se afastar do espírito e do âmbito da invenção.
Exemplo de Produção de Amônia e Ureia Usando Corrente de Hidrogênio Puro
[000165] Em um exemplo, a corrente de entrada é qualquer matéria- prima de hidrocarboneto ou carbonácea, inclusive gás natural, gás misturado, e gás de reciclo. Os componentes de gás bruto incluem metano a cerca de 94 mol%, etano a cerca de 4 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, pequenas quantidades de propano, butano, pentano, e hexano, e também H2S a 4 ppm-mol, COS a cerca de 4 ppm-mol, CS2 a cerca de 2 ppm-mol, e CH4S a cerca de 8 ppm-mol. A temperatura do gás bruto na entrada é de cerca de 77 °F (25 °C) e a pressão de entrada é de cerca de 350 psig. Gás misturado pode ser usado, e os componentes de gás misturado incluem hidrogênio a menos de cerca de 1 mol%, nitrogênio a cerca de 2 mol%, dióxido de carbono a cerca de 1 mol%, monóxido de carbono a cerca de 4 mol%, metano a cerca de 84 mol%, etano a cerca de 4 mol%, argônio a cerca de 3 mol%, pequenas quantidades de propano, butano, pentano, e hexano, e também HCN a cerca de 1,5 ppm-mol, H2S a cerca de 4 ppm-mol, COS a cerca de 3 ppm-mol, CS2 a cerca de 2 ppm-mol, e CH4S a cerca de 7 ppm-mol. A temperatura do gás misturado na entrada é de cerca de 144 °F (62,2222 °C) e a pressão de entrada é de cerca de 465 psig.
[000166] A corrente de gás de entrada, junto com oxigênio da ASU e vapor superaquecido são alimentados para um reator de oxidação parcial suprido com oxigênio. Gás nitrogênio da ASU pode ser suprido para o compressor de nitrogênio, e inclui nitrogênio a cerca de 99,9 mol% com cerca de 10 ppmv de oxigênio, e 1 ppmv de água. A temperatura do gás nitrogênio é de cerca de 120 °F (48,8889 °C) e a pressão é de cerca de 80 psig na entrada do compressor e é aumentada até cerca de 298 °F (147,778 °C) e 1504 psig respectivamente.
[000167] A corrente de oxigênio suprida para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio inclui oxigênio a cerca de 93 mol%, nitrogênio a cerca de 3 mol%, e argônio a cerca de 4 mol%. A temperatura do oxigênio suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é de cerca de 70 °F (21,1111 °C) e a pressão de entrada é de cerca de 525 psig. O fluxo de entrada para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio inclui hidrogênio a menos de cerca de 1 mol%, nitrogênio a cerca de 2 mol%, dióxido de carbono a cerca de 1 mol%, monóxido de carbono a cerca de 2 mol%, oxigênio a cerca de 38%, metano a cerca de 50 mol%, etano a cerca de 2 mol%, argônio a cerca de 3 mol%, pequenas quantidades de propano, butano, pentano, e hexano, e também HCN a cerca de 1 ppm-mol, H2S a cerca de 2 ppm-mol, COS a cerca de 2 ppm-mol, CS2 a cerca de 1 ppm-mol, e CH4S a cerca de 4 ppm-mol. A temperatura do fluxo de entrada para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é de cerca de 46 °F (7,77778 °C) e a pressão de entrada é de cerca de 465 psig.
[000168] As reações exotérmicas não-catalíticas no processo de oxidação parcial suprido com oxigênio produzem uma corrente de saída que inclui hidrogênio a cerca de 50 mol%, nitrogênio a cerca de 2 mol%, dióxido de carbono a cerca de 2 mol%, monóxido de carbono a cerca de 31 mol%, água a cerca de 12%, argônio a cerca de 2 mol%, e também NH3 a cerca de 300 ppm-mol, HCN a cerca de 50 ppm-mol, e H2S a cerca de 5 ppm-mol. A temperatura do fluxo de saída do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é de cerca de 1408 °F (764,4444 °C) e a pressão é de cerca de 435 psig.
[000169] O fluxo de saída do processo de oxidação parcial suprido com oxigênio é em seguida suprido para o expansor de turbina. Esta entrada para o expansor de turbina inclui hidrogênio a cerca de 34 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, monóxido de carbono a cerca de 21 mol%, água a cerca de 40%, argônio a cerca de 1 mol%, e também NH3 a cerca de 200 ppm-mol, HCN a cerca de 33 ppm-mol, e H2S a cerca de 4 ppm-mol. A temperatura do fluxo de entrada para o expansor de turbina é de cerca de 1050 °F (565,5556 °C) e a pressão é de cerca de 435 psig. O fluxo de saída do expansor de turbina inclui hidrogênio a cerca de 34 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, monóxido de carbono a cerca de 21 mol%, água a cerca de 40%, argônio a cerca de 1 mol%, e também NH3 a cerca de 200 ppm-mol, HCN a cerca de 33 ppm-mol, e H2S a cerca de 4 ppm-mol. A temperatura do fluxo de saída do expansor de turbina é de cerca de 680 °F (360 °C) e a pressão é de cerca de 75 psig.
[000170] Quando os fluxos de produtos de saída são supridos para um sistema de remoção de enxofre, o fluxo de entrada inclui H2S a cerca de 4 ppm-mol, e COS a cerca de 0,1 ppm-mol. No fluxo de saída do processo de remoção de enxofre, H2S está presente a cerca de 0,007 ppm-mol, e COS a cerca de 0,15 ppm-mol.
[000171] O fluxo de saída do expansor de turbina ou o processo de remoção de enxofre é em seguida suprido para um reator de deslocamento de alta temperatura. Este fluxo de entrada para o reator de deslocamento de alta temperatura inclui hidrogênio a cerca de 34 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, monóxido de carbono a cerca de 21 mol%, água a cerca de 40%, argônio a cerca de 1 mol%, e também NH3 a cerca de 200 ppm-mol, HCN a cerca de 33 ppm-mol, e H2S a cerca de 4 ppm-mol. A temperatura do fluxo de entrada para o reator de deslocamento de alta temperatura é de cerca de 680 °F (360 °C) e a pressão é de cerca de 75 psig. O fluxo de saída do reator de deslocamento de alta temperatura inclui hidrogênio a cerca de 48 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 15 mol%, monóxido de carbono a cerca de 7 mol%, água a cerca de 27%, argônio a cerca de 1 mol%, e também NH3 a cerca de 200 ppm-mol, HCN a cerca de 33 ppm-mol, e H2S a cerca de 4 ppm-mol. A temperatura do fluxo de saída do reator de deslocamento de alta temperatura é de cerca de 949 °F (509,4444 °C) e a pressão é de cerca de 70 psig.
[000172] O fluxo de produto de saída de um reator de deslocamento de alta temperatura pode ser suprido para um ou mais permutadores de calor e em seguida para um reator de deslocamento de baixa temperatura. Este fluxo de entrada vai incluir hidrogênio a cerca de 48 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 15 mol%, monóxido de carbono a cerca de 7 mol%, e água a cerca de 27 mol%. A temperatura do fluxo de entrada para o reator de deslocamento de baixa temperatura é de cerca de 383 °F (195 °C) e a pressão é de cerca de 50 psig.
[000173] O fluxo de saída do reator de deslocamento de baixa temperatura inclui hidrogênio a cerca de 54 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 21 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1 mol%, e água a cerca de 21 mol%. A temperatura do fluxo de saída do reator de deslocamento de baixa temperatura é de cerca de 506 °F (263,333 °C) e a pressão é de cerca de 46 psig. Este fluxo é em seguida suprido para um ou mais permutadores de calor e/ou condensadores.
[000174] O fluxo de entrada para o condensador inclui hidrogênio a cerca de 54 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 21 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1 mol%, e água a cerca de 21 mol%. A temperatura do fluxo de entrada para o reator de deslocamento de baixa temperatura é de cerca de 199 °F (92,77778 °C) e a pressão é de cerca de 32 psig.
[000175] O fluxo de saída do condensador que é alimentado para um tambor de condensado inclui hidrogênio a cerca de 54 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 21 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1 mol%, e água a cerca de 21 mol%. A temperatura do fluxo de saída do condensador é de cerca de 110 °F (43,3333 °C) e a pressão é de cerca de 28 psig.
[000176] O fluxo de saída do tambor de condensado inclui hidrogênio a cerca de 66 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 26 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, e água a cerca de 2 mol%. A concentração de NH3 cai de cerca de 200 ppm- mol para 5 ppm-mol, à medida que é removida como parte da água ácida, mas HCN permanece no fluxo de produto a cerca de 25 a 30 ppm-mol. A temperatura do fluxo de saída do tambor de condensado é de cerca de 110 °F (43,3333 °C) e a pressão é de cerca de 28 psig. Este fluxo é em seguida opcionalmente alimentado para dentro de um compressor de syngas.
[000177] O fluxo de entrada para o compressor de syngas inclui hidrogênio a cerca de 70 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 23 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, e água a cerca de 3 mol%. A temperatura do fluxo de entrada para o compressor de syngas é de cerca de 110 °F (43,3333 °C) e a pressão é de cerca de 28 psig. O fluxo de saída do compressor de syngas inclui hidrogênio a cerca de 72 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 23 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, e água a cerca de 0,5 mol%. A temperatura do fluxo de saída do compressor de syngas é de cerca de 226 °F (107,778 °C) e a pressão é de cerca de 375 psig.
[000178] Este fluxo de produto pode ser submetido a uma lavagem com água para reduzir o NH3 e o HCN de cerca de 5 ppmv e 25 a 30 ppmv até cerca de níveis indetectáveis de NH3 e cerca de 5 ppmv de HCN respectivamente.
[000179] O fluxo de produto é em seguida suprido para um processo de remoção de dióxido de carbono. Este fluxo de entrada inclui hidrogênio a cerca de 72 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, dióxido de carbono a cerca de 23 mol%, monóxido de carbono a cerca de 1,5 mol%, e água a cerca de 0,5 mol%. A temperatura do fluxo de entrada para o processo de remoção de dióxido de carbono é de cerca de 118 °F (47,7778 °C) e a pressão é de cerca de 370 psig.
[000180] A corrente de saída rica em hidrogênio do processo de remoção de dióxido de carbono inclui hidrogênio a cerca de 93 mol%, nitrogênio a cerca de 1,5 mol%, monóxido de carbono a cerca de 2 mol%, e água a cerca de 0,5 mol%. A temperatura do fluxo de saída do processo de remoção de dióxido de carbono é de cerca de 128 °F (53,3333 °C) e a pressão é de cerca de 370 psig. A corrente rica em dióxido de carbono que sai do processo de remoção de dióxido de carbono inclui hidrogênio a cerca de 2 mol% e dióxido de carbono a cerca de 98 mol%. A temperatura desta corrente rica em dióxido de carbono é de cerca de 120 °F (48,8889 °C) e a pressão é de cerca de 15 psig.
[000181] O fluxo de saída do processo de remoção de dióxido de carbono é suprido para uma unidade de absorção de oscilação de pressão ("PSA"). O fluxo de entrada para a unidade de PSA inclui hidrogênio a cerca de 93 mol%, nitrogênio a cerca de 1,5 mol%, monóxido de carbono a cerca de 2 mol%, e água a cerca de 0,5 mol%. A temperatura do fluxo de entrada para a unidade de PSA é de cerca de 90 °F (32,2222 °C) e a pressão é de cerca de 350 psig. A corrente de hidrogênio puro que sai da unidade de PSA inclui hidrogênio a cerca de 99,8 mol%, nitrogênio a cerca de 0,05 mol%, e argônio a cerca de 0,16 mol%. As quantidades desprezíveis de dióxido de carbono e cerca de 5 ppmv de monóxido de carbono estão presentes nesta corrente. A temperatura do fluxo de entrada para a unidade de PSA é de cerca de 100 °F (37,7778 °C) e a pressão é de cerca de 340 psig. A corrente de hidrogênio puro que sai da unidade de PSA pode ser adicionalmente suprida para um compressor que aumenta a temperatura e a pressão da corrente até cerca de 239 °F (115 °C) e 1504 psig. A corrente de gás da cauda da PSA inclui hidrogênio a cerca de 73 mol%, nitrogênio a cerca de 7 mol%, monóxido de carbono a cerca de 9 mol%, argônio a cerca de 8 mol%, e água a cerca de 0,8 mol%. A temperatura da corrente de gás da cauda da PSA é de cerca de 70 °F (21,1111 °C) e a pressão é de cerca de 5 psig. A corrente de gás da cauda da PSA pode ser adicionalmente suprida para um compressor que aumenta a temperatura e a pressão da corrente até cerca de 113 °F (45 °C) e 181 psig.
[000182] A corrente de gás da cauda da PSA é suprida para uma unidade de separador de membrana. A corrente de permeado depois de processamento no separador de membrana inclui hidrogênio a cerca de 95 mol%, nitrogênio a cerca de 1 mol%, monóxido de carbono a cerca de 2 mol%, argônio a cerca de 0,8 mol%, e água a cerca de 0,6 mol%. A temperatura da corrente de permeado é de cerca de 60 oF e a pressão é de cerca de 0,3 psig. A corrente de permeado pode ser adicionalmente suprida para um compressor que aumenta a temperatura e a pressão da corrente até cerca de 239 °F (115 °C) e 30 psig. A corrente de retentado inclui hidrogênio a cerca de 5 mol%, nitrogênio a cerca de 24 mol%, monóxido de carbono a cerca de 32 mol%, argônio a cerca de 33 mol%, e metano a cerca de 5 mol%. A temperatura da corrente de retentado é de cerca de 137 °F (58,3333 °C) e a pressão é de cerca de 172 psig. A corrente de retentado pode ser adicionalmente suprida para um compressor que aumenta a temperatura e a pressão da corrente até cerca de 213 °F (100,556 °C) e 465 psig.
[000183] A corrente de purga gerada aqui, neste requerimento de patente, inclui hidrogênio a cerca de 5 mol%, nitrogênio a cerca de 24 mol%, monóxido de carbono a cerca de 32 mol%, argônio a cerca de 33 mol%, e metano a cerca de 5 mol%. A temperatura da corrente de purga é de cerca de 213 °F (100,556 °C) e a pressão é de cerca de 465 psig.
[000184] Embora a presente invenção tenha sido descrita em detalhes, deve ser entendido que podem ser feitas várias modificações, substituições, e alterações em consequência sem se afastar do princípio e do âmbito da invenção. por conseguinte, o âmbito da presente invenção deve ser determinado pelas reivindicações que se seguem e por seus equivalentes legais apropriados.
[000185] A descrição precedente das modalidades reveladas é proporcionada para possibilitar a qualquer pessoa versada na arte fazer ou utilizar a presente invenção. Várias modificações para estas modalidades serão prontamente evidentes para os versados na arte, e os princípios genéricos definidos aqui, neste requerimento de patente, podem ser aplicados a outras modalidades sem se afastar do espírito ou do âmbito da invenção. Portanto, a presente invenção não se destina a ser limitada às modalidades mostradas aqui, neste requerimento de patente, mas deve ser concedido o mais amplo âmbito consistente com as reivindicações que se seguem e os princípios e novas características revelados aqui, neste requerimento de patente.
[000186] Apesar de vários aspectos e modalidades terem sido revelados, são contemplados outros aspectos e modalidades. Os vários aspectos e modalidades revelados são para fins de ilustração e não se destinam a ser limitantes, com o verdadeiro âmbito e espírito sendo indicados pelas reivindicações que se seguem.
[000187] Opcional ou opcionalmente significa que o evento ou circunstâncias subsequentemente descritos podem ocorrer ou não. A descrição inclui casos em que o evento ou circunstâncias ocorrem e casos em que não ocorrem.
[000188] Intervalos podem ser expressos aqui, neste requerimento de patente, como a partir de cerca de um valor em particular, e/ou até cerca de outro valor em particular. Quando um intervalo semelhante é expressado, deve ser entendido que outra modalidade é a partir de um valor em particular e/ou até o outro valor em particular, junto com todas as combinações dentro do intervalo referido.
[000189] Do início ao fim deste requerimento, onde patentes ou publicações são referidas, as descobertas destas referências em suas totalidades se destinam a serem incorporadas por meio de referência a este requerimento, de modo a descrever mais plenamente o estado da arte à qual a invenção diz respeito, exceto quando estas referências contradizem as declarações feitas aqui, neste requerimento de patente.
[000190] Conforme usado aqui, neste requerimento de patente, e nas reivindicações anexadas, as palavras "compreendem", "tem", e "incluem" e todas as variações gramaticais das mesmas são cada uma destinada a ter um significado aberto e não-limitante que não exclui elementos ou etapas adicionais.
[000191] Conforme usado aqui, neste requerimento de patente, termos tais como "primeiro" e "segundo" são atribuídos arbitrariamente e simplesmente se destinam a diferenciar entre dois ou mais componentes de um equipamento. Deve ser entendido que as palavras "primeiro" e "segundo" não servem a outra finalidade e não são parte do nome ou da descrição do componente, nem necessariamente definem uma localização ou posição relativa do componente. Além disso, deve ser entendido que o simples uso do termo "primeiro" e "segundo" não requer que haja qualquer "terceiro" componente, embora a possibilidade seja contemplada sob o âmbito da presente invenção. De modo similar, deve ser entendido que o simples uso do termo "primeiro" e "terceiro" não requer que haja qualquer "segundo" componente. Conforme usado aqui, neste requerimento de patente, as formas no singular "um", "uma" e "o", e "a" incluem referentes no plural, a menos que o contexto claramente dite de modo diverso.

Claims (19)

1. Método para a produção de hidrogênio a partir de gases de síntese de um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: fornecer uma matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea e oxigênio para um processo de oxidação parcial suprido com oxigênio de modo a produzir um gás de síntese, o gás de síntese compreendendo dióxido de carbono, monóxido de carbono, e hidrogênio; fornecer o gás de síntese para um primeiro reator, o primeiro reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para converter no mínimo uma porção do monóxido de carbono para dióxido de carbono e produzir um gás de síntese modificado; fornecer o gás de síntese modificado para um segundo reator, o segundo reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para converter o monóxido de carbono remanescente para dióxido de carbono de modo a produzir um gás de síntese rico em dióxido de carbono; fornecer o gás de síntese rico em dióxido de carbono do segundo reator para um primeiro condensador de modo a remover água e produzir uma corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono; fornecer a corrente de hidrogênio e dióxido de carbono para um processo de adsorção por oscilação de pressão de modo a produzir uma corrente de hidrogênio puro e gás residual de adsorção por oscilação de pressão; e extrair calor exotérmico para a produção de energia, aquecimento e arrefecimento do processo, ou exportação de vapor.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de hidrogênio puro e gás nitrogênio de uma unidade de separação de ar para um quarto reator, o quarto reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para produzir um fluxo do produto amônia.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de hidrogênio puro para um processo de gás para líquidos de Fischer Tropsch.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer o gás de síntese ou gás de síntese modificado para um processo de remoção de fuligem para remover fuligem.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer no mínimo um entre a matéria-prima de hidrocarboneto ou carbonácea, o gás de síntese, ou o gás de síntese modificado para um processo de dessulfurização.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono para uma unidade de separação de amina de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro residual e uma corrente de alto teor de hidrogênio tratada com amina.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono do primeiro condensador para um processo de adsorção por oscilação de pressão a vácuo de modo a produzir uma corrente de dióxido de carbono puro e uma corrente de alto teor de hidrogênio.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de hidrogênio puro para um terceiro reator, o terceiro reator compreendendo um catalisador e sendo configurado para a produção de metano a partir de monóxido de carbono e dióxido de carbono presentes na corrente de hidrogênio, o terceiro reator produzindo um fluxo do produto metano e uma corrente de hidrogênio de alta pureza.
9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o oxigênio tem uma pureza de no mínimo 93%.
10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a composição da corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono compreende entre 65 a 80% de hidrogênio, entre 20 a 35% de dióxido de carbono e entre 0 a 8% de monóxido de carbono.
11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro e o segundo reatores são substituídos com um ou três reatores.
12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no mínimo um gás ou gás residual é purgado para a atmosfera, uma célula de combustível, ou um oxidante térmico.
13. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: utilizar um gerador de hidrogênio, em que o gerador de hidrogênio produz hidrogênio e oxigênio a partir de um estoque de água, em que o hidrogênio é suprido para o quarto reator e o oxigênio é suprido para o processo de oxidação parcial suprido com oxigênio.
14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de hidrogênio puro para um processo selecionado entre o grupo consistindo em um processo para a produção de ureia, nitrato de amônio, ácidos nítricos, fluidos de exaustão de diesel, alcoóis mistos; produção de alcoóis de aldeído, etanol, metanol, éter metil terc-butílico, ácido acético, olefinas, diesel sintético, gasolina, aditivos de gasolina, e éter dimetílico.
15. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a unidade de separação de amina é um sistema multipressão com uma ou mais saídas de dióxido de carbono e um ou mais processos de regeneração de amina.
16. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: fornecer a corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono para um sistema de lavagem de modo a diminuir a concentração de amônia e cianeto de hidrogênio na corrente de gás compreendendo hidrogênio e dióxido de carbono até abaixo de 5 partes por milhão por volume.
17. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: reciclar a água removida pelo primeiro condensador.
18. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a utilização de uma unidade de separação de ar de modo a permitir que gases a frio dentro do método sejam usados como um dissipador de calor no método.
19. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado adicionalmente pelo fato de que compreende a etapa de: utilizar a temperatura de saída de gás a frio de uma unidade de refrigeração de amônia para um dissipador de calor.
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