BR112019011109A2 - um processo para a síntese de amônia - Google Patents
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Abstract
um processo de pressão dupla para a síntese de amônia a partir de um gás de reposição, onde o gás de reposição é reagido em duas etapas em série, a segunda etapa operando em uma pressão maior do que a primeira etapa e onde uma parte do efluente da primeira etapa é reciclada de volta para a primeira etapa, a dita parte contendo o gás de reposição não reagido.
Description
UM PROCESSO PARA A SÍNTESE DE AMÔNIA
DESCRIÇÃO
Campo de invenção [0001] A invenção refere-se ao campo da sintese de amônia a partir de um gás de reposição contendo hidrogênio e nitrogênio. Em particular, a invenção referese a um processo de pressão dupla para a sintese de amônia.
TÉCNICA ANTERIOR [0002] A amônia é sintetizada a nivel industrial por conversão catalítica de um gás de reposição compreendendo o hidrogênio (H2) e o nitrogênio (N2) em alta pressão.
[0003] O dito gás de reposição é produzido em uma seção inicial por reforma de uma matéria-prima de hidrocarboneto adequada, tal como o gás natural. A dita seção inicial inclui, por exemplo, uma seção de reforma e uma seção de purificação. A seção de reforma pode compreender um reformador primário e um reformador secundário; a seção de purificação compreende tipicamente um ou mais conversores de substituição, uma seção de remoção de dióxido de carbono e uma seção de metanação.
[0004] O gás de reposição purificado é obtido em uma pressão que é muito menor do que a pressão de sintese e é elevada até a pressão de sintese em uma seção de compressão de gás adequada, normalmente por um compressor de múltiplos estágios. O gás de reposição comprimido é então proporcionado para uma seção de sintese, onde é convertido em amônia. A seção de sintese tipicamente compreende um circuito de sintese operando em torno de 7840 - 29400 kPa (80 - 300 bar) de pressão.
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2/10 [0005] O gás de reposição compreende o H2 e ο N2 em uma razão molar de aproximadamente 3:1 e um pequeno teor de componentes que não reagem, tais como o metano (CH4) e o argônio (Ar), que retardam a taxa de conversão e que serão referidos como gases inertes. Eles se acumulam no gás circulante do circuito de sintese e a sua concentração é controlada pela retirada de uma corrente de gás de purga do circuito.
[0006] De modo a reduzir as desvantagens associadas com as altas concentrações de gases inertes, têm sido propostos processos de pressão dupla onde a amônia é sintetizada em um primeiro circuito e um segundo circuito em série operando em pressões crescentes. O primeiro circuito de sintese compreende tipicamente um conversor, um resfriador-condensador e um separador de amônia. Na técnica anterior dos processos de amônia de pressão dupla, o conversor do primeiro circuito de sintese é de passagem única. Um exemplo está divulgado na EP 1 339 641.
[0007] Em um processo convencional de amônia de pressão dupla, a maior parte da amônia (tipicamente mais do que 60%) é sintetizada no segundo circuito. Quando for desejado um aumento de capacidade, no entanto, o segundo circuito pode atingir seus limites e se tornar um gargalo. Além disso, o controle da temperatura na saida do conversor do primeiro circuito de sintese é dificil e o equipamento a jusante do conversor está exposto ao risco de nitridação.
RESUMO DA INVENÇÃO [0008] A invenção visa proporcionar um processo de amônia de pressão dupla melhorado. Em particular, a invenção visa proporcionar um processo com capacidade
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3/10 aumentada e melhor controle da temperatura após o conversor do primeiro circuito de sintese. O termo capacidade deve ser entendido como a quantidade de amônia que é ou pode ser produzida.
[0009] Estes objetivos são atingidos com um processo para a sintese de amônia a partir de um gás de reposição de acordo com a reivindicação 1. O gás de reposição compreende o hidrogênio (H2) e o nitrogênio (N2) em uma razão molar de aproximadamente 3:1.
[0010] O dito processo compreende uma primeira etapa reativa em uma primeira pressão P2 e uma segunda etapa reativa em uma segunda pressão P2 maior do que a primeira pressão, onde: a primeira etapa reativa proporciona uma corrente de produto contendo amônia e um efluente gasoso contendo gás de reposição não reagido; uma primeira parte do dito efluente gasoso é submetida à dita segunda etapa reativa, e uma segunda parte do dito efluente gasoso é reciclada para a dita primeira etapa reativa.
[0011] De preferência, o dito processo compreende uma etapa de compressão do efluente gasoso da primeira etapa reativa da dita primeira pressão P2 até a dita segunda pressão P2 e, de acordo com diferentes modalidades, a segunda parte do efluente gasoso é obtida antes ou depois da dita etapa de compressão. A dita segunda parte será também referida como uma parte de reciclo.
[0012] De preferência, a dita primeira pressão Pi varia entre 5880 e 12740 kPa (60 e 130 bar), enquanto a dita segunda pressão P2 varia, preferivelmente, entre 14700 e 27440 kPa (150 e 280 bar).
[0013] De acordo com uma primeira modalidade da
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4/10 invenção, a segunda parte do efluente gasoso é obtida antes do dito estágio de compressão e é reciclada para a dita primeira etapa reativa através de um ejetor, onde um fluido motriz é acelerado através de um estreitamento criando uma depressão e, assim, sugando a dita parte de reciclo.
[0014] De preferência, o dito fluido motriz é o gás de reposição que alimenta a primeira etapa reativa. Como resultado, o gás de reposição que atua como fluido motriz e a parte de reciclo contendo o gás de reposição não reagido misturam-se para proporcionar a corrente de entrada para a dita primeira etapa reativa.
[0015] De acordo com esta modalidade, o efluente gasoso da primeira etapa reativa é apenas parcialmente submetido à dita etapa de compressão. De preferência, ele se divide em uma primeira parte e em uma segunda parte; a dita primeira parte é fornecida à dita etapa de compressão e a corrente comprimida assim obtida é submetida à segunda etapa reativa, enquanto a segunda parte é reciclada de volta para a dita primeira etapa reativa.
[0016] De acordo com uma segunda modalidade da invenção, a segunda parte do efluente gasoso é obtida após o dito estágio de compressão e é reciclada diretamente para a dita primeira etapa reativa. O termo diretamente significa que a dita segunda parte é reciclada de volta para a primeira etapa reativa sem ser adicionalmente comprimida, p.ex., sem passar através de um ejetor.
[0017] De preferência, a dita parte de reciclo se mistura com o gás de reposição, formando assim a corrente de entrada para a primeira etapa reativa.
[0018] De acordo com esta modalidade, o efluente
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5/10 gasoso da primeira etapa reativa é inteiramente ou substancial e inteiramente submetido à dita etapa de compressão e a corrente comprimida assim obtida proporciona ambas as ditas primeira e segunda partes.
[0019] De preferência, o gás de reposição acima identificado é obtido comprimindo até a primeira pressão Pi uma corrente de gás de reposição dentro de um compressor. A dita corrente de gás de reposição é preferivelmente obtida por reforma de uma matéria-prima de hidrocarboneto e purificação subsequente em uma seção inicial, e o dito compressor é adequado para pressurizar a dita corrente de gás de reposição a partir de uma pressão inicial de aproximadamente 1470 - 2940 kPa (15 - 30 bar) até a primeira pressão de aproximadamente 5880 - 12740 kPa (60 130 bar).
[0020] De acordo com as modalidades preferidas, a segunda etapa reativa produz uma corrente de produto contendo amônia e uma corrente de gás de purga contendo principalmente hidrogênio, nitrogênio e gases inertes. A dita corrente de gás de purga é preferivelmente submetida a um processo de recuperação que separa o hidrogênio como uma corrente contendo hidrogênio.
[0021] De acordo com algumas modalidades, a dita corrente contendo hidrogênio é misturada com o gás de reposição e a dita mistura é realizada no lado da sucção ou da descarga do compressor, elevando a pressão do gás de reposição da pressão inicial até a primeira pressão Pi.
[0022] Uma planta de amônia de pressão dupla de acordo com as reivindicações anexas é também objeto da presente invenção.
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6/10 [0023] A dita planta compreende um primeiro circuito de sintese operando em uma primeira pressão Pi e um segundo circuito de sintese operando em uma segunda pressão P2 maior do que a primeira pressão, onde: o primeiro circuito de sintese proporciona uma corrente de produto contendo amônia e um efluente gasoso contendo o gás de reposição não reagido; uma primeira linha é disposta para fornecer uma primeira parte do dito efluente gasoso para o dito segundo circuito de sintese, e uma segunda linha é disposta para reciclar uma segunda parte do dito efluente gasoso para o dito primeiro circuito de sintese.
[0024] O primeiro circuito de sintese compreende, de preferência, pelo menos um conversor, um resfriador-condensador e um separador de amônia. De acordo com a invenção, o dito pelo menos um conversor opera como um conversor de reciclo, em vez de passagem única.
[0025] Um objetivo adicional da presente invenção é um método para renovar uma planta de amônia de pressão dupla existente de acordo com as reivindicações anexas.
[0026] Uma primeira vantagem da presente invenção é uma produção aumentada de amônia no primeiro circuito de sintese e o desafogo relacionado do segundo circuito de sintese. Isso resulta em uma capacidade da planta aumentada para determinados tamanhos do equipamento.
[0027] Uma vantagem adicional é um melhor controle da temperatura de saida do(s) conversor (es) do primeiro circuito. Por conseguinte, os riscos de nitridação a jusante do (s) dito(s) conversor (es) são significativamente reduzidos.
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7/10 [0028] A invenção será agora explicada com a ajuda da descrição que se segue das modalidades preferidas e não limitativas.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0029] A Fig. 1 é um esquema de uma planta para a sintese de amônia a partir de um gás de sintese de reposição de acordo com uma primeira modalidade da invenção.
[0030] A Fig. 2 é uma variante da planta da Fig. 1.
[0031] A Fig. 3 mostra em maior detalhe o primeiro circuito de sintese.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS [0032] A planta da Fig. 1 compreende essencialmente um primeiro compressor 1 que eleva a pressão de um gás de reposição da pressão inicial até uma primeira pressão Pi, um primeiro circuito de sintese de amônia 2, um segundo compressor 3 que eleva a pressão do efluente do primeiro circuito 2 até uma segunda pressão P2, um segundo circuito de sintese de amônia 4, uma seção de recuperação de gás de purga 5 e um ejetor 6. O primeiro circuito 2 opera na pressão Pi e o segundo circuito 4 opera na pressão P2.
[0033] A dita primeira pressão Pi está, de preferência, na faixa de 5880 - 12740 kPa (60 - 130 bar) e a dita segunda pressão P2 está, de preferência, na faixa de 14700 - 27440 kPa (150 - 280 bar).
[0034] Um gás de reposição 10 é comprimido no primeiro compressor 1 até a pressão Pi. O dito gás de reposição 10 é obtido em uma seção inicial (não mostrada)
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8/10 da planta, por exemplo, por reforma de uma matéria-prima de hidrocarboneto em uma pressão que é significativamente menor do que a pressão Pi, p.ex., de aproximadamente 1470 a 2940 kPa (15 a 30 bar).
[0035] O gás de reposição assim comprimido 11 é misturado com uma corrente contendo hidrogênio 21 extraida da dita seção de recuperação de gás de purga 5, obtendo assim uma corrente 12.
[0036] A dita corrente 12 e uma corrente de gás 15b recirculada a partir do efluente 15 do primeiro circuito de sintese 2 são forneidas ao ejetor 6, onde elas se misturam, formando assim a corrente de entrada 13 para o dito primeiro circuito de sintese 2. A dita corrente 12 funciona como fluido motriz para sugar a corrente de gás 15b e fornecê-la ao primeiro circuito 2.
[0037] A corrente 13 assim obtida entra no primeiro circuito de sintese 2, que proporciona um produto de amônia liquida 14 e uma corrente gasosa 15 contendo o gás de reposição não reagido. Conforme mostrado na Fig. 3, a dita corrente 13 entra em um conversor 7, proporcionando uma corrente gasosa parcialmente reagida 24 contendo amônia e gás de reposição não reagido. A dita corrente gasosa 24 é resfriada no interior de um resfriador-condensador 8, onde a amônia condensa parcialmente para proporcionar uma mistura 25. A dita mistura 25 entra subsequentemente em um separador de amônia 9, onde o produto de amônia liquida 14 é separado da fase gasosa 15. A dita fase gasosa 15 também contém amônia não condensada no resfriador-condensador 8.
[0038] A dita fase gasosa 15 divide-se em duas partes, 15a, 15b. A primeira parte 15a é fornecida ao
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9/10 segundo compressor 3, onde é comprimida até a pressão P2, proporcionando uma corrente pressurizada 16, e a segunda parte 15b é recirculada de volta para o lado da descarga do primeiro compressor 1 para reagir adicionalmente no primeiro circuito de sintese 2.
[0039] A dita corrente pressurizada 16 é alimentada ao segundo circuito de sintese 4, onde reage adicionalmente para proporcionar um produto de amônia 17 e um gás de purga 18.
[0040] O dito gás de purga 18 é continuamente retirado do circuito de sintese 4 para limitar o acúmulo de gases inertes e é enviado para a unidade de recuperação 5. O dito gás de purga 18 contém alguma amônia, que é preferivelmente recuperada como uma solução de amônia 19 na dita unidade de recuperação.
[0041] A dita unidade de recuperação de gás de purga 5 também separa os gases inertes 20 de uma corrente contendo hidrogênio 21, que é reciclada para o lado da descarga do primeiro compressor 1, misturando-se com o gás de reposição 11, formando assim a corrente 12.
[0042] De forma alternativa, o hidrogênio recuperado a partir da dita unidade de recuperação de purga 5 pode ser reciclado para o lado da sucção do primeiro compressor. O reciclo do hidrogênio 21 no lado da descarga ou no lado da sucção do primeiro compressor 1 depende da pressão na qual a corrente contendo hidrogênio é descarregada da unidade de recuperação de purga 5.
[0043] A Fig. 2 mostra uma variante da planta da Fig. 1. Os equipamentos e as linhas de fluxo em comum com a planta da Fig. 1 são indicados com os mesmos números de
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10/10 referência .
[0044] De acordo com esta modalidade, a fase gasosa 15 extraida a partir do primeiro circuito de sintese 2 é inteiramente suprida no segundo compressor 3, proporcionando assim a corrente pressurizada 16.
[0045] A dita corrente 16 divide-se em duas partes, 16a, 16b. A primeira parte 16a é alimentada ao segundo circuito de sintese 4 e a segunda parte 16b é recirculada de volta para o lado da descarga do primeiro compressor 1. A dita segunda parte 16b se mistura com a corrente 12, formando assim a corrente de entrada 23 para o primeiro circuito de sintese 2. Neste caso, o ejetor 6 não é requerido graças à maior pressão da corrente 16b.
Claims (6)
1) Um processo para a síntese de amônia a partir de um gás de reposição (11), o processo compreendendo uma primeira etapa reativa em uma primeira pressão (Pi) e uma segunda etapa reativa em uma segunda pressão (P2) maior do que a primeira pressão, onde:
a primeira etapa reativa proporciona uma corrente de produto (14) contendo amônia e um efluente gasoso (15) contendo gás de reposição não reagido;
uma primeira parte (16, 16a) do dito efluente gasoso é submetida à dita segunda etapa reativa, e uma segunda parte (15b, 16b) do dito efluente gasoso é reciclada para a dita primeira etapa reativa, o processo adicionalmente compreendendo uma etapa de compressão do efluente gasoso da primeira etapa reativa da dita primeira pressão (P2) até a dita segunda pressão (P2) , onde a segunda parte (15b) do dito efluente gasoso é obtida antes da dita etapa de compressão e é reciclada para a dita primeira etapa reativa através de um ejetor (6).
2) Um processo de acordo com a reivindicação 1, onde o dito gás de reposição (11) funciona como fluido motriz no interior do dito ejetor (6).
3) Um processo de acordo com a reivindicação 2, onde o dito gás de reposição (11) se mistura com a dita
reivindicações anteriores, a dita segunda etapa reativa proporcionando uma corrente de gás de purga (18) contendo
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2/3 hidrogênio e a dita corrente de gás de purga (18) sendo direcionada para uma unidade de recuperação de gás de purga (5) onde pelo menos parte do dito hidrogênio é separada como uma corrente contendo hidrogênio (21).
5) Processo de acordo com a reivindicação 4, onde a dita corrente contendo hidrogênio (21) se mistura com o dito gás de reposição (11).
6) Uma planta para a sintese de amônia a partir de um gás de reposição (11), compreendendo um primeiro circuito de sintese (2) operando em uma primeira pressão (P2) e um segundo circuito de sintese (4) operando em uma segunda pressão (P2) maior do que a primeira pressão, onde:
o primeiro circuito de sintese (2) proporciona uma corrente de produto (14) contendo amônia e um efluente gasoso (15) contendo gás de reposição não reagido;
uma primeira linha (16, 16a) é disposta para fornecer uma primeira parte do dito efluente gasoso ao dito segundo circuito de sintese (4), e uma segunda linha (15b, 16b) é disposta para reciclar uma segunda parte do dito efluente gasoso para o dito primeiro circuito de sintese (2), a planta adicionalmente compreendendo um compressor (3), onde o dito efluente gasoso é comprimido da dita primeira pressão (P2) até a dita segunda pressão (P2) e a dita segunda linha (15b) está no lado da sucção do dito compressor (3), e um ejetor (6) que alimenta a segunda parte do efluente gasoso ao primeiro circuito de sintese (2) .
7) Um método para renovar uma planta para a sintese de amônia a partir de um gás de reposição (11), a
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3/3 planta compreendendo:
um primeiro circuito de sintese (2) operando em uma primeira pressão (Pi) , onde o dito gás de reposição (11) reage proporcionando uma primeira corrente de produto (14) e um efluente gasoso (15) contendo gás de reposição não reagido;
um segundo circuito de sintese (4) operando em uma segunda pressão (P2) maior do que a primeira pressão, onde o dito efluente gasoso reage proporcionando uma segunda corrente de produto (17);
um compressor (3) , onde o dito efluente gasoso é comprimido da primeira pressão (P2) até a segunda pressão (P2) , o método sendo caracterizado por: instalação de uma linha (15b, 16b) para reciclar uma parte do dito efluente gasoso para o primeiro circuito de sintese (2), a dita linha (15b) sendo instalada no lado da sucção do compressor (3), e compreender a instalação de um ejetor (6) na entrada do primeiro circuito de sintese (2) .
fluido motriz no dito ejetor (6).
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