BRPI0209799B1 - Processo e planta para a síntese heterogênea de compostos químicos - Google Patents

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Ermanno Filippi
Enrico Rizzi
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Methanol Casale S.A.
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Abstract

"processo e planta para a síntese heterogênea de compostos químicos". a presente invenção se refere a um processo para a síntese heterogênea de compostos químicos, tais como metanol e amônia, através da conversão catalítica dos respectivos reagentes gasosos que são feitos passar através de uma primeira (2) e de uma segunda (3) zonas de reação conectadas em série uma em relação à outra, nas quais eles reagem em condições pseudoisotérmicas, caracterizado pelo fato de que na referida primeira zona de reação (2) os reagentes gasosos são feitos fluir através de uma massa fixa de um catalisador apropriado na qual uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancialmente assemelhados a caixa (21), dispostos lado a lado e atravessados por um fluido de operação de troca de calor, é mergulhada. a presente invenção também se refere a uma planta para a síntese heterogênea de metanol ou de amônia através de conversão catalítica dos respectivos reagentes gasosos, compreendendo uma primeira (2) e uma segunda (3) zonas de reação conectadas em série uma em relação à outra, respectivas unidades de troca de calor (5, 6) dispostas nas referidas primeira e segunda zonas de reação (2, 3), caracterizada pelo fato de que na referida primeira zona de reação (2) a unidade de troca de calor (5) é mergulhada dentro de uma massa catalítica e compreende uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancialmente assemelhados a caixa (21), dispostos lado a lado de maneira a serem atravessados por um fluido de operação de troca de calor.

Description

VROC&SSO E PLANTA PARA A SÍNTESE HETEROGÊNEA DE COMPOSTOS QUÍMICOS «
DESCRIÇÃO DA PRESENTE INVENÇÃO
Campo de aplicação da presente invenção
A- presente invenção se refere, em seu aspecto mais amplo, a um processo para a síntese heterogênea de compostos químicos, tais como metanol e amônia.
Em particular, a presente invenção se refere a um processo do tipo compreendendo duas zonas de reação conectadas em série uma em relação à outra de maneira a executar reações químicas catalisadas nas assim chamadas condições pseudoisotérmicas, em que a temperatura de reação é controlada dentro de uma faixa restrita de valores em torno de um valor otimizado pré-determínado.
A presente invenção também se refere a uma planta para executar o processo anteriormente referido.
Estado da técnica da presente invenção
No campo da produção industrial de compostos químicos, tais como metanol e amônia, a necessidade é bem conhecida de desenvolvimento de processos de síntese heterogênea com um alto rendimento de conversão dos reagentes e plantas com grandes capacidades, em baixos custos de investimento e de consumo de energia.
De maneira a preencher a necessidade anteriormente referida, um processo para a síntese de metanol foi proposto no estado da técnica, compreendendo duas zonas de reação
2/12 conectadas em série uma em relação à outra e operando em condições pseudoisotérmicas, isto é, com remoção de calor de reação, em que o calor em excesso formado na segunda zona de reação é removido pela troca de calor indireta com o fluxo de reagentes frescos e de reagentes reciclados alimentado dentro da primeira zona de reação.
Tal processo está descrito no pedido de patente europeu número EP-A-0.790.226. De maneira a operar corretamente e alcançar as vantagens econômicas desejadas, é entretanto necessário que a primeira zona de reação esteja consistindo de um trocador de feixe de tubos, com os correspondentes tubos preenchidos com um catalisador adequado. Os tubos são internamente atravessados pelos reagentes gasosos H2 e CO, enquanto que externamente eles são lambidos por um fluxo de água (com produção de vapor) como fluido de operação de troca de calor. Um reator deste tipo está, por exemplo, descrito na patente norte americana número US-A-4.559.207.
A necessidade de empregar esta espécie específica de reator na primeira zona de reação de um processo em duas etapas para a síntese de metanol está também reafirmada no pedido de patente inglês número GB-A-2.203.427.
Embora vantajoso sob vários aspectos, o processo anteriormente descrito possui uma relevante e reconhecida desvantagem técnica, que constitui, em um nível industrial, um verdadeiro limite para o grau de avanço ou de completamento da reação química considerada (rendimento de conversão) bem como da capacidade produtiva da respectiva planta.
De fato, os reatores de feixe de tubos exatamente descritos implicam em uma complexidade de estrutura e de uti3/12 ··· lização tais de maneira que somente possibilitam a manufatura de volumes de reação um tanto pequenos, como claramente indicado no pedido de patente europeu número EP-A0.790.226, com a desvantagem de prejudicar o rendimento de conversão e a capacidade produtiva que pode ser obtida por tais reatores.
Para volumes de reação maiores os reatores de feixe de tubos, em adição a serem de muita dificuldade, se não de aplicação impossível, requerem uma tal alta quantidade de investimentos que o processo com uma reação em duas etapas não é de nenhuma forma eficiente em custos.
De maneira a ultrapassar tal desvantagem, o pedido de patente inglês número GB-A-2.203.427 propõe utilizar um catalisador de alta eficiência, que, na medida em que soluciona somente parcialmente o problema da baixa conversão e rendimento de produção nos reatores de feixe de tubos, é entretanto muito dispendioso.
Como um resultado, devido às desvantagens anteriormente referidas, os processos em concordância com o estado da técnica não possibilitam obter de uma maneira relativamente eficiente em custos e tecnicamente simples e confiável, altos rendimentos de conversão e altas capacidades de produção .
Resumo da presente invenção
O problema técnico perpassando a presente invenção é o de proporcionar um processo para a síntese heterogênea de compostos químicos, tais como metanol e amônia, que é fácil para desenvolver e possibilita altos rendimentos de conver4/12 são a serem obtidos em plantas químicas com grandes capacidades em baixos custos de investimento e de consumo de energia, ultrapassando as desvantagens do estado da técnica.
O problema técnico indicado anteriormente é solucionado, em concordância com a presente invenção, por um processo para a síntese heterogênea de compostos químicos, tais como metanol e amônia, através de conversão catalítica dos respectivos reagentes gasosos que são feitos atravessar através de uma primeira e de uma segunda zonas de reação conectadas em série uma em relação à outra, nas quais eles reagem em condições pseudoisotérmicas, processo que é caracterizado pelo fato de que na referida primeira zona de reação os reagentes gasosos são feitos fluir através de uma massa fixa de um catalisador apropriado na qual uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancíalmente assemelhados a caixa, dispostos lado a lado e. atravessados por um fluido de operação de troca de calor, é mergulhada.
Vantajosamente, contrariamente ao ensinamento constante do estado da técnica, foi surpreendentemente descoberto que o rendimento de conversão e a capacidade de produção da primeira zona de reação em um processo do tipo anteriormente descrito podem ser marcantemente aumentados de uma maneira simples, confiável e eficiente em custos, graças às características anteriormente referidas.
Em assim se fazendo, é possível produzir os compostos químicos anteriormente referidos em grandes quantidades e com um alto rendimento de conversão em plantas químicas de grande capacidade, que são tecnicamente simples de serem
5/12 desenvolvidas e que não implicam em alto consumo de energia e em altos custos de investimento e de manutenção.
A presente invenção adicionalmente se refere a uma planta química possuindo características estruturais e funcionais adequadas para executar o processo anteriormente referido.
As características e vantagens do processo em concordância com a presente invenção irão se tornar mais evidentes a partir da descrição de uma concretização indicativa e não limitante do mesmo, feita com referência aos desenhos acompanhantes.
Breve descrição dos desenhos da presente invenção
Nos desenhos:
- A Figura 1 mostra de uma maneira geral e esquemática um diagrama de blocos ilustrando uma planta para executar o processo em concordância com uma concretização da presente invenção;
- A Figura 2 esquematicamente mostra em seção longitudinal um detalhe da planta representada pelo diagrama de blocos em concordância com a Figura 1.
Descrição detalhada dos desenhos da presente invenção
Com referência à Figura 1, está esquematicamente ilustrada, em todos os seus componentes principais uma planta para a produção de metanol ou de amônia em concordância com a presente invenção, que está indicada em sua totalidade com o numeral (1).
A planta (1) compreende uma primeira zona de reação
II ··*·
6/12 (2) e uma segunda zona de reação (3) , conectadas em série uma em relação à outra.
No interior das zonas de reação (2) e (3), uma área de reação (4) está proporcionada para alojar, de uma maneira conhecida de per se, uma massa fixa de um catalisador adequado, não mostrada.
As zonas de reação (2) e (3), quando em função, operam em condições pseudoisotérmicas e conseqüentemente estão equipadas com unidades de troca de calor (5) e (6), respectivamente, mergulhadas dentro do referido catalisador na área de reação (4) .
A temperatura de reação no interior da área (4) da primeira zona de reação (2) é controlada através de troca de calor indireta por se fazer um fluido de troca de calor fluir no interior da unidade (5), como indicado pelas flechas. Um fluido de troca de calor, tal como, por exemplo,, água em caso de reações exotérmicas, tais como, síntese de metanol ou de amônia. Durante- tal cruzamento, a água é transformada em vapor ou é simplesmente pré-aquecida para a produção seguinte de vapor em caldeiras dedicadas colocadas no exterior da zona de reação e não mostradas.
A temperatura de reação no interior da área (4) da segunda zona de reação (3) é em vez disso controlada pela troca de calor indireta, por se fazer um fluxo de reagentes gasosos, para alimentação dentro da primeira zona de reação (2) , para fluir no interior da unidade de troca de calor (6) como fluido de troca de calor. Com respeito a isto, uma tubulação (7), em comunicação fluida com a unidade de troca de calor (6), entra dentro da segunda zona de reação (3) em
7/12
J· · ·· »* · • e • · ··* ·>
•m· ««a ** ·· lâ tal unidade (6) , então vem para fora da mesma e entra dentro da primeira zona de reação (2) na área de reação (4).
A tubulação (7), bem como a unidade (6) , é atravessada por um fluxo de reagentes gasosos, tais como, H2 e CO para a síntese de metanol e H2 e N2 para a síntese de amônia, tanto fresco e quanto reciclado.
Adicionalmente, uma tubulação indicada com o numeral (8) , coloca em comunicação fluida a saída da área (4) da primeira zona de reação (2) com a admissão da área (4) da segunda zona de reação (3), para alimentação nesse lugar de uma mistura de reação compreendendo metanol ou amônia e reagentes gasosos não reagidos obtidos na primeira zona de reação (2) .
Saindo a partir da área (4) da segunda zona de reação (3) , uma tubulação (9) está finalmente disposta para a saída da mistura de reação final, compreendendo também uma · porção de reagentes gasosos não reagidos em adição ao metanol ou à amônia.
Em uma seção da planta da Figura 1 em comunicação fluida com a tubulação (9) e não mostrada desde que como tal é de per se convencional, o metanol e a amônia assim obtidos são separados a partir da mistura de reação e os reagentes gasosos presentes em tal mistura são reciclados dentro da primeira zona de reação (2) através da tubulação (7) juntamente com a alimentação de reagentes gasosos frescos .
Em concordância com uma característica da presente invenção, a unidade de troca de calor (5) , paralelamente a ser mergulhada dentro do catalisador da área de reação (4), /3
8/12 • · · • * • · ··»· « ··· ··· é feita de uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancialmente assemelhados a caixa, dispostos lado a lado e atravessados pelo fluido de operação de troca de calor, como pode ser visto na Figura 2 que representa em maiores detalhes a primeira zona de reação (2).
Em tal Figura 2, a primeira zona de reação (2) consiste de um reator pseudoisotérmico compreendendo uma concha cilíndrica (10) , fechada nas extremidades opostas pelos respectivos fundo superior (12) e fundo inferior (11) e englobando uma unidade de troca de calor (5) proporcionada com elementos configurados em placa, que irão ser ilustrados na descrição a seguir.
fundo superior (12) está proporcionado com um bocal (13) para a admissão dentro do reator (2) dos reagentes gasosos vindo a partir da tubulação (7) da Figura 1, e com boca is (14, 15) para a admissão e a saída do fluido de ope-. ração de troca de calor e a partir da unidade de troca de calor (5) , respectivamente.
O fundo inferior (11) está em vez disso equipado com um bocal (16) para o fluxo de saída a partir do reator (2) da mistura de reação em comunicação fluida com a tubulação (8) da Figura 1.
No interior da concha (10) a área de reação (4) está proporcionada, com o que compreende um leito catalítico anular (17) , conhecido de per se, aberto acima e com as paredes laterais perfuradas, para um cruzamento radial ou axial-radial do leito pelos reagentes gasosos.
A parede lateral interna do leito catalítico (17) forma em seu interior uma passagem (18), fechada acima por uma
9/12 ·· cobertura (19) e em comunicação fluida através de uma junção (20) com o bocal (16) para a saida da mistura de reação .
Na área de reação (4), e mais precisamente no interior do leito catalítico (17) , a unidade de troca de calor (5) está suportada, de uma maneira convencional de per se, para ser mergulhada, na massa de um catalisador apropriado, não representada.
Em concordância com esta concretização, a unidade de troca de calor (5) possui uma configuração substancialmente cilíndrica e compreende uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, planos, substancialmente assemelhados a caixa (21) com uma configuração de paralelepípedo, colocados lado a lado em uma disposição com elementos coaxiais e concêntricos (disposição substancialmente radial) .
Mais em particular, embora não representado, cada trocador de calor (21) é preferivelmente feito de um par de placas metálicas justapostas mutuamente unidas em uma rela20 ção distanciada pré-determinada pela soldagem perimétrica, de maneira que uma câmara (21a) (ilustrada com uma linha tracejada) está definida entre elas, intencionada para ser atravessada pelo fluido de operação de troca de calor.
Cada trocador de calor (21) está proporcionado, em su25 as laterais longas opostas (22), com uma tubulação de distribuição (23) e uma tubulação coletora (24), respectivamente, para o referido fluido de operação. As tubulações (23) e (24) estão em comunicação fluida, por um lado, com a referida câmara (21a) através de pelo menos uma, mas prefe··
10/12 rivelmente através de uma pluralidade de aberturas ou furos (não representados), com os quais elas estão proporcionadas ao longo de uma ou mais geratrizes e, por outro lado, com o espaço exterior ao trocador de calor (21) através das respectivas junções tubulares de admissão e de saída (25) e (26), para o referido fluido de operação. As junções (25) e (26) estão por sua vez conectadas com os bocais (14) e (15), respectivamente.
De maneira a facilitar o cruzamento pelo fluido de operação de troca de calor do trocador de calor (6) em direção radial ou substancialmente radial, a câmara (21a) está preferivelmente dividida em uma pluralidade de partições, não diretamente em comunicação uma em relação à outra e obtidas, por exemplo, através de uma correspondente pluralidade de junções (costuras) de soldagem ou defletores de separação (indicados com uma linha tracejada) se estendendo· perpendicularmente para a tubulação de distribuição (23) e para a tubulação coletora (24) do trocador de calor (21).
Graças a esta concretização da primeira zona de reação (2), é possível executar o processo em concordância com a presente invenção, no qual os reagentes gasosos são feitos fluir através de uma massa fixa de um catalisador adequado de tal área de reação, na qual uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancialmente assemelhados a caixa, dispostos lado a lado e atravessados pelo fluido de operação de troca de calor, é mergulhada.
Em assim se fazendo, é vantajosamente possível desenvolver de uma maneira simples, confiável e econômica e com baixo consumo de energia ainda mesmo em grandes espaços
11/12
·· (volumes) de reação para a primeira zona de reação (2).
Em outras palavras, a presença de trocadores de calor configurados em placa mergulhados dentro da massa catalítica, em adição a ser particularmente efetiva como elementos de troca de calor indireta, possibilita o dimensionamento da primeira zona de reação (2) ser concretizado arbitrariamente, e assim obter em tal zona de reação um alto rendimento de conversão e uma alta capacidade de produção, para a vantagem do rendimento de conversão global, bem como para o desenvolvimento de plantas com uma grande capacidade.
A presente invenção assim concebida pode ser susceptível para variações e para modificações, todas caindo dentro do escopo de proteção definido nas reivindicações de patente posteriormente.
Por exemplo, em concordância com uma concretização preferida da presente invenção, a mistura de reação vindo apartir da primeira zona de reação (2) e alimentada para a segunda zona de reação (3) através da tubulação (8), é vantajosamente resfriada por intermédio de troca de calor indireta em um trocador de calor (27) - do tipo convencional - ilustrado com uma linha tracejada na Figura 1. Desta maneira, não somente é possível recuperar calor de maneira a produzir, por exemplo, vapor para ser utilizado em outras partes da planta de vapor, mas, acima de tudo, é possível controlar a temperatura de admissão para a segunda zona de reação (3). e, portanto, o seu rendimento de conversão.
Alternativamente, é também possível pressupor que uma parte dos reagentes gasosos frescos e/ou dos reagentes reciclados pode ser diretamente alimentada para a primeira • ·
zona de reação (2), através de uma tubulação (28), sem passar através da segunda zona de reação (3).
A unidade de troca de calor (6) pode ser de um tipo convencional, isto é, do tipo de feixe de tubos ou até mesmo na forma de uma tubulação em serpentina, ou, vantajosamente ela pode também ser feita de uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa do tipo descrito com referência para a Figura 2. Em assim se fazendo, é possível obter um aumento adicional do rendimento de conversão e da capacidade de produção da planta química.
Em concordância com uma concretização adicional da presente invenção, não representada, a primeira e a segunda zonas de reação (2, 3) podem ser englobadas em um reator de síntese único, em vez de se ter dois reatores como no exemplo da Figura 1.
As condições de operação de temperatura no interior· das zonas de reação são aquelas convencionais para a síntese de metanol ou de amônia. Tanto quanto se observa a respeito das condições de operação de pressão, resultados particularmente satisfatórios foram obtidos pela operação das duas zonas de reação (2) e (3) substancialmente na mesma pressão, e preferivelmente entre 50 bars e 100 bars para a síntese de metanol e entre 50 bars e 300 bars, preferivelmente entre 80 bars e 150 bars, para a síntese de amônia.

Claims (5)

1. Processo para a síntese heterogênea de metanol ou de amônia através de conversão catalítica dos respectivos reagentes gasosos que são feitos passar através de uma primeira (2) e de uma segunda (3) zonas de reação conectadas em série uma em relação à outra, nas quais eles reagem em condições pseudoisotérmicas, caracterizado pelo fato de que na referida primeira zona de reação (2) os reagentes gasosos são feitos fluir através de uma massa fixa de um catalisador apropriado na qual uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancialmente assemelhados a caixa (21), dispostos lado a lado e atravessados por um fluido de operação de troca de calor, é mergulhada, no qual referidos reagentes gasosos são alimentados na referida primeira zona de reação (2) após troca de calor indireta no interior de referida segunda zona de reação (3) com uma mistura de reação alimentada nesta última zoría de reação (3) e proveniente de referida primeira zona de reação (2).
2/2 (2) é alimentada com uma mistura de reagentes gasosos compreendendo reagentes gasosos frescos e reagentes gasosos reciclados, os últimos sendo adequadamente separados por uma mistura de reação vindo a partir da referida segunda zona de reação (3).
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pressão no interior das referidas zonas de reação (2, 3) é substancialmente a mesma.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida segunda zona de reação (3) é alimentada com uma mistura de reação vindo a partir da referida primeira zona de reação (2) e submetida de antemão à troca de calor indireta de maneira a controlar sua temperatura de admissão dentro da referida segunda zona de reação (3) .
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida primeira zona de reação
5. Planta para a síntese heterogênea de metanol ou de amônia através de conversão catalítica dos reagentes gasosos, compreendendo uma primeira (2) e uma segunda (3) zonas de reação conectadas em série uma em relação à outra, respectivas unidades de troca de calor (5, 6) dispostas nas referidas primeira e segunda zonas de reação (2, 3), caracterizada pelo fato de que na referida primeira zona de reação (2) a unidade de troca de calor (5) é mergulhada dentro de uma massa catalítica e compreende uma pluralidade de trocadores de calor configurados em placa, substancialmente assemelhados a caixa (21), dispostos lado a lado de maneira a serem atravessados por um fluido de operação de troca de calor, e em que a admissão de referida primeira zona de reação (2) está em comunicação de fluido com a descarga de referida unidade de troca de calor (6) na referida segunda zona de reação (3) .
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