BR112018017283B1 - Reator de oxidação de amônia para produção de ácido nítrico - Google Patents
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Abstract
Um método para a produção de ácido nítrico compreendendo uma etapa de oxidação de amônia na presença de um catalisador, compreendendo uma etapa de monitoramento da temperatura do referido catalisador por pelo menos um sensor de infravermelho sem contato.
Description
[001] A invenção diz respeito ao campo da produção industrial de ácido nítrico.
[002] A produção de ácido nítrico envolve basicamente: uma primeira etapa de oxidação de amônia gasosa com ar, sobre um catalisador adequado, a obtenção de um produto gasoso contendo NOx e N2O (óxido nitroso); uma segunda etapa de contatar o dito produto gasoso com água, para absorver os óxidos mencionados acima e obter HNO3.
[003] A primeira etapa de oxidação de amônia é normalmente realizada sob pressão, em um recipiente adequado que é também chamado queimador ou reator de combustão. O catalisador é tipicamente um pacote de gaze de Platina-Ródio (Pt-Rh) que é suportado por um cesto dentro do referido reator. O cesto pode conter uma quantidade de anéis de Rashig (para aumentar o contato entre os componentes gasosos) ou, quando requerido, um catalisador secundário para eliminação de N2O, abaixo da gaze de Pt-Rh.
[004] Em operação, o dito catalisador Pt-Rh alcança uma alta temperatura (900 a 1000° C). Elementos de troca de calor são dispostos em torno do cesto catalítico, para recuperar calor de reação por transferência para um meio adequado. Tipicamente, os ditos elementos são tubos de uma caldeira de calor residual para produzir vapor.
[005] Uma medida precisa da temperatura do catalisador é necessária para otimizar a conversão de NH3 e para detectar prontamente qualquer desvio local que possa causar riscos de segurança. Um desvio da temperatura ótima pode resultar em uma pobre oxidação de amônia ou na produção de uma mistura explosiva.
[006] De acordo com a técnica anterior, a temperatura do catalisador Pt-Rh é monitorada por um conjunto de sondas de temperatura (usualmente 3 a6), cada sonda sendo montada em um respectivo poço térmico.
[007] Um termopoço é basicamente um encaixe tubular para proteger a sonda de temperatura. Como a sonda de temperatura deve estar próxima ao catalisador Pt-Rh, a fim de fornecer uma medida confiável, o poço térmico deve ser um corpo alongado e deve passar através de vários itens: o invólucro do reator, os tubos da caldeira de calor perdido, a cesta e a massa de anéis de Rashig ou catalisador secundário dentro do cesto.
[008] Como consequência, a instalação das ditas sondas e os termopoços relacionados é difícil e onerosa; além disso, a precisão e a confiabilidade não são satisfatórias. Os poços são expostos à temperatura quente (cerca de 900°C) e pode ser afetada pela corrosão devido ao NOx condensando a HNO3, especialmente durante a paralisação. A substituição dos termopoços requer uma parada prolongada da planta. Além disso, uma retroajuste de um reator de combustão por instalação de uma ou mais sondas de temperatura adicionais (s) é bastante difícil, uma vez que qualquer termopoços recém-instalados requereria uma passagem através do vaso de pressão e, na maioria dos casos, a adição de uma abertura ao vaso de pressão requer um novo teste de pressão.
[009] O objetivo da invenção é resolver as desvantagens acima do estado da técnica.
[010] O objetivo é alcançado com um método para a produção de ácido nítrico, compreendendo uma etapa de oxidação de amônia na presença de um catalisador, caracterizado pelo fato de compreender a etapa de monitorar a temperatura do referido catalisador por pelo menos um sensor de infravermelho sem contato.
[011] Um outro aspecto da invenção é um reator para oxidação catalítica de amônia, de preferência para a produção subsequente de ácido nítrico, compreendendo um vaso de pressão e um cesto catalítico, dito cesto catalítico contendo um catalisador adequado para a oxidação de amônia, o reator sendo caracterizado por compreender pelo menos um sensor de infravermelho disposto para detectar a temperatura do referido catalisador.
[012] Aspectos preferidos são estabelecidos nas reivindicações dependentes.
[013] Oxidação de amônia ocorre na presença de oxigênio, que significa que o oxidante pode ser qualquer oxidante adequado, incluindo, por exemplo, ar ou ar enriquecido ou oxigênio.
[014] O catalisador é, de preferência, um catalisador de platina ou um catalisador platina-ródio. O catalisador é, de preferência, na forma de uma gaze.
[015] Em uma modalidade preferida, o dito pelo menos um sensor de infravermelho é posicionado afastado (distanciado) do catalisador. Consequentemente, o sensor não está em contato direto com o catalisador. Mais preferivelmente, o dito sensor não está em contato direto com o fluxo gasoso de amônia e oxidante.
[016] Em uma modalidade particularmente preferida, o dito sensor é instalado em uma janela de visão do recipiente de pressão do reator.
[017] O sensor pode apontar uma região específica do catalisador, por exemplo, uma região de uma gaze catalítica, para medir a sua temperatura. De acordo com ainda outra modalidade, o sensor pode ser comutado entre pelo menos uma T uma primeira posição em que o sensor aponta uma primeira região do catalisador, e uma segunda posição em que o sensor aponta uma segunda região do catalisador. Como consequência, o sensor pode detectar a temperatura de diferentes regiões do catalisador. Para este propósito, o sensor pode ser montado em um soquete móvel. Em algumas modalidades, o soquete móvel é parte do sensor, isto é, o sensor inclui um soquete móvel embutido.
[018] A característica acima proporciona um sensor móvel que pode detectar a temperatura sobre certas áreas do catalisador permitindo que um sistema de controlo faça uma comparação entre diferentes regiões do catalisador. Em operação normal, a temperatura deve ser uniforme. Uma temperatura diferente de regiões diferentes de catalisador, acima de um limite predeterminado, pode ser interpretada como um desvio de operação normal, por exemplo, uma contaminação ou degradação da gaze e, em algumas modalidades, pode ser usada para gerar um sinal de alerta.
[019] De acordo com modalidades preferidas, uma pluralidade de sensores infravermelhos é usada. Cada sensor pode ser um sensor fixo ou um sensor móvel e, no segundo caso, cada sensor pode comutar entre pelo menos duas posições, apontando para diferentes regiões do catalisador, de modo a detectar a temperatura do catalisador sobre uma certa área.
[020] O sensor móvel ou cada sensor móvel pode direcionar pelo menos duas regiões do catalisador. Em uma modalidade preferida, o ou cada sensor móvel(s) é controlado para direcionar uma região contínua entre dois pontos de extremidade correspondentes às posições de extremidade do sensor móvel.
[021] Ainda um outro aspecto da invenção é o retroajuste de uma instalação existente para a produção do ácido nítrico. O reator para oxidação de amônia é retroajustado pela instalação de pelo menos um sensor infravermelho para detectar a temperatura do catalisador.
[022] Preferencialmente, pelo menos um sensor é instalado em uma janela de visão existente do recipiente de pressão. Janela de visão (também denominada vidro de mira) é usualmente fornecido para olhar para dentro do reator e compreende, por exemplo, um flange que contém uma cobertura transparente adequada, por exemplo, uma cobertura de vidro. Em um reator para oxidação de amônia, pode haver uma ou mais janelas de visão apontando para a gaze catalítica para verificar a condição da própria gaze. Em tal caso, a invenção faz uso de uma ou mais janelas de visão disponíveis (s) para a instalação de um ou mais sensores de infravermelho (s) para medir a temperatura do catalisador.
[023] Um aspecto da invenção é também um método para monitorar a temperatura de um catalisador num reator para a oxidação de amônia, caracterizado pelo monitoramento da temperatura do referido catalisador por pelo menos um sensor de infravermelho sem contato.
[024] A invenção também contempla o uso do sinal de temperatura de pelo menos um sensor infravermelho para controlar o processo de oxidação de amônia e, mais particularmente, para determinação da relação de amônia para oxidante na alimentação do reator.
[025] A detecção precisa e confiável da temperatura atingida pelo catalisador pode ser usada, de acordo com algumas modalidades da invenção, para um ajuste contínuo da referida razão de amônia para oxidante. O dito oxidante é, de preferência, ar.
[026] Consequentemente, um aspecto da invenção é um método para a produção de ácido nítrico, compreendendo uma etapa de oxidação de amônia na presença de um catalisador, compreendendo uma etapa de monitorar a temperatura do referido catalisador por pelo menos um sensor de infravermelho sem contato, em que a dita etapa de oxidação é realizada com uma razão de amônia para um oxidante que é continuamente ajustado como uma função da temperatura do catalisador detectado pelo dito pelo menos um sensor de infravermelho sem contato.
[027] Ainda um outro aspecto da invenção é um reator em que a temperatura do catalisador detectado pelo referido pelo menos um sensor infravermelho sem contato é usado em um sistema de controlo do reator para determinar a relação de amônia para oxidante na alimentação do reator.
[028] A invenção tem as seguintes vantagens: instalação fácil, que é também possível a partir do exterior do recipiente quando os sensores são instalados nos furos laterais; medida direta e confiável da temperatura do catalisador; nenhum contato com o gás de processo e nenhum risco de falha de corrosão; fácil manutenção, projeto mais simples dos tubos da caldeira de calor de rejeito que não é mais atravessada pelos termopoços. Modalidades com sensores móveis têm a vantagem adicional de melhorar a possibilidade de detecção de qualquer desvio de operação normal do catalisador.
[029] Ainda outra vantagem da invenção é um controle melhorado e mais preciso do processo, particularmente pelo controle da razão de amônia para oxidante na alimentação do reator como uma função da temperatura do catalisador, que é a temperatura da mistura de amônia-oxidante (por exemplo, mistura de amônia-ar), detectado pelo um ou mais sensores de infravermelho.
[030] A invenção será agora elucidada com referência a um exemplo não limitativo de modalidades preferidas.
[031] Figura 1 é um esquema simplificado de alguns itens de uma instalação para a produção de ácido nítrico.
[032] Figura 2 é um detalhe do reator de oxidação de amônia da Figura 1, de acordo com uma modalidade da invenção.
[033] Fig. 3 ilustra um detalhe de uma modalidade preferida da invenção
[034] Fig. 1 ilustra as etapas básicas de produção industrial de ácido nítrico. Um reator 1 contém uma gaze 2 de um catalisador Pt-Rh, adequada para catalisar a oxidação de amônia gasosa 3 na presença de ar. A referida oxidação de amônia no reator 1 produz um gás produto 4 contendo óxidos de nitrogênio incluindo NOx e N2O. Dito gás produto 4, usualmente após a recuperação de calor através de um trocador de calor 5, é tratada em uma torre 6 onde os óxidos são absorvidos pela água 7, para formar uma solução aquosa 8 contendo ácido nítrico e um gás de topo 9. A Dita solução 8 é adicionalmente purificada para obter ácido nítrico e o gás 9 é usualmente tratado em uma unidade de DesNOx para remover óxidos de nitrogênio; tudo o acima segue técnicas conhecidas que não são essenciais para esta invenção e não são descritas em detalhes.
[035] A figura 2 ilustra um detalhe do referido reator 1. O reator 1 compreende um vaso 10 com uma cobertura 1 1 mantida no lugar por flanges 12, o reator 1 contém a gaze de catalisador de Pt-Rh 2 e uma cesta 14 para anéis de Raschig e/ou um catalisador secundário; a figura mostra também tubos 15 de uma caldeira de calor residual.
[036] O reator 1 compreende pelo menos um infravermelho (IR) sensor 16 encaixado em uma janela de visão 17 do vaso de pressão 10. Mais particularmente, a Figura 2 ilustra uma modalidade preferida em que a janela de visão 17 é feita na cobertura 11. O dito sensor de IR 16 fica voltado para a gaze 2 e, portanto, é capaz de detectar a temperatura do catalisador.
[037] De preferência, múltiplos sensores IV são providos a fim de monitorar a temperatura sobre a gaze 2.
[038] Ainda mais preferivelmente, o sensor infravermelho ou cada sensor infravermelho é montado em um soquete móvel (por exemplo, um soquete de articulação) de modo que o sensor possa ser orientado para direcionar diferentes regiões (áreas) da gaze 2. Por exemplo, a Figura 3 ilustra um sensor de IR 16 montado sobre um soquete móvel 18 e um sensor T ilustra uma primeira posição do sensor 16 apontando para uma primeira região 2'da gaze 2, e uma segunda posição (linha pontilhada) apontando para uma segunda região 2 " da dita gaze.
[039] De acordo com algumas modalidades, o sensor de IR 16 pode incluir um soquete móvel embutido 18.
[040] Preferencialmente, um sensor móvel 16, como na Figura 3, é controlado para detectar a temperatura sobre uma região contínua do catalisador entre duas posições finais, por exemplo, entre os pontos 2'e 2" da Figura 3.
[041] O sinal de um ou mais sensores infravermelhos(s) é enviado a um sistema de monitoramento e controle do reator ou de uma instalação que compreende o reator. Um desvio da temperatura medida do valor esperado, ou uma temperatura não uniforme sobre a gaze 2, pode gerar um sinal de alarme tal como, por exemplo, um alarme de contaminação do catalisador.
[042] Deve-se observar que o sensor de IR 16 é posicionado afastado da gaze 2; não obstante, ela provê uma medida precisa graças à detecção de infravermelho. Além disso, graças à instalação na janela de visão 17, o sensor de IR 16 está em uma posição protegida, que não está diretamente exposto ao fluxo de entrada 3, o que reduz o risco de falha.
[043] A janela de visão 17 é feita com uma técnica conhecida e pode compreender, por exemplo, um flange com uma cobertura de vidro e uma gaxeta adequada.
[044] Um aspecto da invenção é a instalação de um ou mais sensores de infravermelho em janelas de visão existentes de um recipiente de pressão. Consequentemente, o reator 1 pode ser retroajustado por adição de um ou mais sensores de infravermelho em janelas de visão disponíveis, tal como a janela 17, para monitorar a temperatura da gaze 2. Em algumas modalidades, as sondas de temperatura existentes podem ser substituídas por sensores IR recentemente instalados, ou os novos sensores de IR podem ser além das sondas de temperatura convencionais.
[045] De acordo com as modalidades preferidas, a reformação pode também compreender a implementação de um controle da amônia a oxidante (tipicamente amônia a ar) razão na alimentação do reator, em função da temperatura detectada pelo sensor de IR (s).
Claims (15)
1. Método para a produção de ácido nítrico, compreendendo uma etapa de oxidação de amônia na presença de um catalisador, caracterizado por compreender uma etapa de monitoramento da temperatura do referido catalisador por pelo menos um sensor de infravermelho sem contato (16).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo referido catalisador ser um catalisador de platina ou um catalisador platina-ródio, e pelo referido catalisador sendo de preferência na forma de uma gaze (2).
3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por: o referido sensor (16) ser posicionado longe do catalisador (2) e pelo método compreender a etapa de comutar o referido sensor entre pelo menos uma primeira posição, em que o sensor aponta uma primeira região (2') do catalisador, e uma segunda posição, em que o sensor aponta uma segunda região (2") do catalisador, de modo que o sensor (16) possa detectar seletivamente a temperatura das referidas primeira região e segunda região do catalisador.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender o uso de uma pluralidade de sensores infravermelho para monitorar a temperatura do referido catalisador.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado por: um sinal de alarme ser gerado quando a diferença de temperatura entre diferentes regiões (2', 2") de catalisador excede um limite de alarme predeterminado.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela dita etapa de oxidação ser realizada com uma razão de amônia para um oxidante, que é continuamente ajustado em função da temperatura do catalisador detectado pelo dito pelo menos um sensor de infravermelho sem contato.
7. Reator (1) para oxidação catalítica de amônia, conforme definida na reivindicação 1, particularmente para a produção subsequente de ácido nítrico, compreendendo um recipiente de pressão (10) e um cesto catalítico (14), o dito cesto catalítico contendo um catalisador (2) adequado para a oxidação de amônia, caracterizado por compreender pelo menos um sensor de infravermelho (16) disposto para detectar a temperatura do referido catalisador.
8. Reator, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo referido catalisador (2) ser um catalisador de platina ou um catalisador de platina-ródio, e ser preferivelmente na forma de uma gaze.
9. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado por pelo menos um sensor de infravermelho (16) ser distanciado do catalisador (2) e não em contato direto com uma corrente de entrada de amônia gasosa (3) admitida no referido reator e direcionada para o referido catalisador.
10. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo referido pelo menos um sensor infravermelho ser instalado em uma janela de visão (17) do referido vaso de pressão (10).
11. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado por pelo menos um sensor de infravermelho (16) ser móvel entre pelo menos uma primeira posição, em que o sensor aponta uma primeira região (2') do catalisador, e uma segunda posição, em que o sensor aponta uma segunda região (2") do catalisador, de modo que o sensor possa detectar seletivamente a temperatura das referidas primeira e segunda regiões do catalisador.
12. Reator, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por pelo menos um sensor infravermelho (16) ser montado em uma tomada móvel (18).
13. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado pelo reator ser alimentado com amônia e um oxidante, e pela temperatura do catalisador detectada pelo dito pelo menos um sensor infravermelho sem contato ser usada em um sistema de controle do reator para ajustar a razão de amônia para oxidante na alimentação do reator.
14. Método de retroajuste de um reator (1) para oxidação catalítica de amônia, em uma instalação para a produção de ácido nítrico, o referido reator compreendendo um vaso de pressão (10) e contendo um catalisador (2) para oxidação de amônia, o método caracterizado por compreender a instalação de pelo menos um sensor de temperatura infravermelho (16) para medir a temperatura do referido catalisador, de modo a obter um reator conforme definido na reivindicação 7.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo dito vaso de pressão (10) do dito reator compreender pelo menos uma janela de visão (17), e pelo método compreender a instalação de pelo menos um sensor de temperatura infravermelho (16) na dita janela de visão (17).
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