BRPI0506209B1 - processo de conversão para síntese de amônia, e, conversor para síntese de amônia - Google Patents

Abstract

"processo de conversão para síntese de amônia, e, conversor para síntese de amônia". são divulgados um sistema conversor de amônia e método. o reator pode alterar a conversão a amônia controlando a temperatura de reação da reação exotérmica ao longo do comprimento do reator para que a mesma fique paralela à curva de equilíbrio do produto desejado. o reator 100 pode compreender um casco 101 e tubos internos com catalisador 109. a corrente de gás de alimentação entra no reator, flui através do casco 101 sendo aquecida por troca indireta de calor com os tubos com catalisador 109. os tubos com catalisador 109 compreendem zonas reativas 122 que possuem catalisador e zonas limitadas de reação 124 que podem compreendem dispositivos inertes que funcionam tanto para separar as zonas reativas como para aumentar a área de transferência de calor e reduzir a temperatura da mistura de reação na medida em que o efluente passa através do tubo com catalisador 109.

Description

“PROCESSO DE CONVERSÃO PARA SÍNTESE DE AMÔNIA, E, CONVERSOR PARA SÍNTESE DE AMÔNIA” FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0001] Esta invenção está relacionada a conversor para reações exotérmicas, e mais particularmente a um conversor e processo tais como para converter nitrogênio e hidrogênio a amônia, pelo que são obtidos um uso reduzido de catalisador e/ou maiores produções do produto.

[0002] A amônia é fabricada usualmente pela reação de nitrogênio e hidrogênio em um circuito de síntese o qual pode incluir um compressor, um reator de síntese de amônia, e uma etapa de condensação e recuperação de amônia. O gás de síntese não reagido, da reação de síntese, é tipicamente reciclado do separador de amônia de volta para o compressor e o reator. O gás de síntese pode conter argônio, metano e ainda outros componentes inertes que são tipicamente removidos na forma de uma corrente de purga, evitando deste modo o acúmulo de inertes no circuito de síntese. O gás de purga pode ser ainda processado em uma unidade de recuperação de hidrogênio ou, de modo alternativo, suprido diretamente para o sistema de combustível, com ou sem tratamento adicional ou recuperação de hidrogênio.

[0003] Muitas plantas para produção de amônia operam com um circuito de síntese usando um catalisador de magnetita à base de ferro nos conversores de amônia. Avanços significativos na fabricação de amônia têm incluído o uso de catalisadores de síntese altamente ativos compreendendo um metal do grupo da platina suportado em carbono contendo grafite, usado sozinho ou em conjunto com catalisadores à base de ferro, menos ativos, como descrito nas Patentes U.S. 4.568.530, 4.568.531 e 4.568.532. De modo desejável, o metal do grupo da platina é o rutênio, conforme descrito de modo mais completo nas Patentes U.S. 4.122.040 e 4.250.057. Os catalisadores altamente ativos permitem em geral uma produção aumentada de amônia e/ou o uso de menores volumes de catalisador.

[0004] De modo geral, o contato dos reagentes com um catalisador, em condições apropriadas de temperatura e pressão, leva a efeito uma reação exotérmica. O aquecimento associado com as reações exotérmicas pode apresentar diversos efeitos, tanto positivos como negativos, na reação. Os efeitos negativos incluem: baixas taxas de produção, desativação do catalisador, produção de sub-produtos indesejáveis e danos ao vaso de reação e à tubulação. Do modo mais comum, um aumento excessivo da temperatura na zona de reação ou limita a seletividade ou reduz a produção do produto.

[0005] Os processos com reação exotérmica podem englobar uma ampla variedade de materiais de alimentação e de produtos. Os exemplos de processos moderadamente exotérmicos podem incluir a síntese de metanol, a síntese de amônia e a conversão de metanol a olefinas. Os exemplos de reações altamente exotérmicas podem incluir as reações de oxidação em geral, a fabricação de anidrido ftálico pela oxidação de naftaleno ou de orto-xileno, a produção de acrilonitrila a partir de propano ou propileno, a síntese de ácido acrílico a partir de acroleína, a conversão de n-butano a anidrido malêico, a produção de ácido acético pela carbonilação de metanol, e a conversão de metanol a formaldeído.

[0006] A eficiência das reações exotérmicas reversíveis depende com freqüência da capacidade de remoção do calor gerado pelo processo. A taxa de reação e o equilíbrio se movem em geral de forma oposta com o aumento da temperatura. Assim sendo, temperaturas de reação mais elevadas resultam em geral em taxas de reação mais rápidas e conversão total mais baixa, ao passo que temperaturas de reação mais baixas resultam em geral em taxas de reação mais lentas e conversão total mais elevada. Para um aumento de conversão em reações exotérmicas reversíveis em estágios, uma temperatura alta é empregada nos primeiros estágios da reação, onde as cinéticas de reação são mais favoráveis. Na medida em que a reação progride, a temperatura nos estágios finais é reduzida para tirar vantagem das condições de equilíbrio mais favoráveis. No entanto, uma vez que a reação é conduzida em estágios e com resfriamento entre os estágios, o equilíbrio e as cinéticas são raramente, ou somente muito rapidamente, balanceados para a taxa de reação máxima possível. A presente invenção emprega condições que se aproximam da curva ótima de operação do reator (ou progressão da temperatura) que maximizam a taxa de reação ao longo de um percurso que corresponde aos locais de taxas máximas em uma plotagem temperatura vs. conversão. Este tipo de plotagem segue em geral um perfil decrescente de temperatura que se desloca da entrada para a saída do reator.

[0007] Alguns reatores da tecnologia precedente têm se baseado em arranjos que contêm as reações em zonas do reator geralmente adiabáticas e fornecem um contato indireto com um meio de resfriamento entre os estágios. A geometria de reatores com resfriamento intermediário apresenta restrições de arranjo que requerem grandes reatores e vastas superfícies de tubos para obter altas eficiências de transferência de calor. Na Patente U.S. 4.696.799, Noe divulga um conversor para síntese de amônia que possui trocadores tipo casco e tubos para resfriar as correntes gasosas da reação, que deixam os leitos de catalisador, com os gases reagentes que entram. Na Patente U.S. 5.869.011, Lee divulga um reator de leito fixo que divide um leito de catalisador de estágio único em múltiplos estágios com troca intermediária de calor, em um único vaso de reação.

[0008] Na Patente U.S. 6.171.570, Czuppon divulga a manutenção de uma condição substancialmente isotérmica por meio de água em ebulição no lado do casco de um reator tipo casco e tubos, com os tubos preenchidos com o catalisador. As vantagens divulgadas incluem um consumo de energia mais baixo, menores taxas de purga e taxas de produção de amônia mais elevadas. Embora a eficiência do catalisador como um todo possa ser melhor que a encontrada em reatores que operam em condições adiabáticas, naturalmente, a condição isotérmica significa que, no sentido da saída do reator, a composição da reação poderá ainda se aproximar das concentrações de equilíbrio do produto, limitando deste modo uma reação adicional. Para uma reação exotérmica, tal como na produção de amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio, a concentração da amônia produto na extremidade de saída de um reator isotérmico pode ser mais elevada que a concentração do produto na saída do reator adiabático dado um tempo de reação suficiente. Isto é verdadeiro uma vez que no reator adiabático, em uma reação exotérmica tal como a produção de amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio, as temperaturas aumentam ao longo do comprimento do reator e a concentração de equilíbrio do produto amônia é mais baixa em temperaturas mais elevadas.

[0009] Os reatores adiabáticos de leito fixo com resfriamento entre estágios têm sido usados na tecnologia precedente para proporcionar conversão sucessiva em mais baixas e mais baixas temperaturas para melhorar a eficiência do catalisador e melhorar as produções. Na prática, os processos de reação da tecnologia precedente têm se limitado a de dois a quatro estágios em um vaso de reação comum aos mesmos, com a limitação principal sendo os custos de capital associados com o equipamento de troca de calor entre estágios e os múltiplos estágios do reator e/ou dos vasos. Além disso, a temperatura de entrada em cada leito é necessariamente mais baixa que a temperatura de saída, o que se encontra mais próximo da temperatura de equilíbrio. Por exemplo, na Patente U.S. 6.015.537, Gam divulga um reator para preparação de amônia a partir de um gás de síntese caracterizado por múltiplos leitos de catalisador e com resfriamento intermediário do gás de síntese parcialmente convertido entre cada leito individual de catalisador.

[00010] Em um processo para amônia, comercialmente disponível, com a tecnologia precedente, são proporcionados quatro leitos de catalisador com resfriamento intermediário entre cada um dos leitos. O primeiro leito, e algumas vezes o segundo leito, podem exibir um catalisador de magnetita à base de ferro, seguidos por dois ou três leitos que contêm um catalisador à base de rutênio. A temperatura no reator na entrada de cada leito de catalisador é baixa devido aos perfis de temperatura crescente nas zonas de reação da síntese de amônia exotérmica e adiabática. A natureza exotérmica da reação, juntamente com o desenho de projeto adiabático do leito do reator, não permite que o perfil da temperatura venha a se maximizar por passe da conversão a amônia, o que leva por sua vez ao uso ineficiente do catalisador. Em tal sistema são necessárias quantidades maiores de catalisador para obter uma maior conversão a amônia, por cada passe.

[00011] De maneira similar, os reatores isotérmicos apresentam limitações para a produção de amônia. A síntese de amônia com o uso de um reator isotérmico requer em geral um pré-aquecimeno externo em separado do gás de alimentação. Em adição, da mesma forma que com os reatores adiabáticos em estágios, os reatores isotérmicos típicos possuem requerimentos para catalisadores relativamente elevados para a obtenção de taxas de conversão equivalentes.

[00012] Em conseqüência, existe uma necessidade nesta tecnologia para um projeto de reator que venha a controlar a temperatura das reações exotérmicas ao longo do comprimento do reator, que utilize de forma efetiva a curva de operação temperatura vs. conversão e que siga a curva de equilíbrio com uma compensação negativa da temperatura, mantendo deste modo uma elevada taxa de reação e eficiência do catalisador por todo o volume do leito de catalisador.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00013] A presente invenção está direcionada a um processo de conversão e aparelho para a síntese de amônia, por exemplo, onde a temperatura de reação ao longo do reator pode ser controlada, resultando em menores volumes de catalisador e uma maior conversão. A temperatura de reação pode ser reduzida ao longo do comprimento do reator para seguir a curva de equilíbrio para o produto desejado, de tal modo que a concentração do produto aumenta ao longo do comprimento do reator mas nunca alcança a concentração de equilíbrio do produto na temperatura corrente da mistura de reação.

[00014] A presente invenção proporciona, em uma forma de realização, um processo de conversão útil para a síntese de amônia e que compreende: (a) introduzir uma corrente gasosa, rica em reagentes e a uma temperatura de alimentação, em uma passagem para troca de calor de uma zona de reação que troca calor para pré-aquecer a corrente rica em reagentes até uma temperatura de entrada; (b) introduzir a corrente rica em reagentes pré-aquecida na temperatura de entrada em uma passagem para reação contendo catalisador, em contra-corrente, para converter exotermicamente o gás reagente a um produto gasoso e formar uma mistura enriquecida em produto, dos gases reagentes e do produto; (c) de forma indireta transferir o calor da passagem para reação para a passagem para troca de calor em uma taxa efetiva para manter a mistura de gases abaixo da temperatura de equilíbrio; e (d) recuperar um efluente de uma saída da passagem para reação, em uma temperatura de descarga, efluente esse enriquecido do produto gasoso.

[00015] A mistura enriquecida em produto pode possuir uma concentração de equilíbrio do produto que aumenta com o decréscimo da temperatura, e um coeficiente de taxa de reação que aumenta com a elevação da temperatura. A taxa de transferência de calor em uma seção de temperatura decrescente da passagem para reação pode exceder o calor de reação para baixar a temperatura da mistura de gases até uma temperatura de descarga. Os gases reagentes podem incluir uma mistura de nitrogênio e hidrogênio e o produto gasoso pode compreender amônia. O catalisador pode incluir um metal de transição e, em uma forma de realização, pode incluir metal do grupo da platina. O catalisador pode incluir rutênio em um suporte de carbono e, em uma forma de realização, pode incluir rutênio promovido em um suporte de carbono grafítico estabilizado por calor. A zona de reação que troca calor pode ser constituída de um trocador de calor tipo casco e tubos, a passagem para troca de calor compreendendo a passagem pelo lado do casco através do trocador de calor, e a passagem para reação podendo ser constituída de uma pluralidade de tubos contendo o catalisador. A passagem para reação pode incluir uma pluralidade de zonas limitadas de reação e zonas contendo o catalisador alternadas em série. A seção de passagem para reação pode ser mantida a uma temperatura dentro de 30°C de uma temperatura de equilíbrio da mistura gasosa. A passagem para reação pode incluir uma zona inicial adiabática adjacente a uma entrada da passagem para reação onde o calor de reação excede a taxa de transferência de calor pelo que a temperatura da mistura de reação se eleva. As zonas limitadas de reação podem ser não-reativas e podem ser isentas de catalisador.

[00016] A presente invenção proporciona, em outra forma de realização, um processo de conversão para a síntese de amônia, e que compreende: (a) introduzir uma corrente rica em reagentes compreendendo hidrogênio e nitrogênio, em uma temperatura de alimentação, em uma passagem pelo lado do casco de um reator de troca de calor do tipo casco e tubos, para pré-aquecer a corrente rica em reagentes até uma temperatura de entrada; (b) introduzir a corrente rica em reagentes pré-aquecida da passagem pelo lado do casco e na temperatura de entrada, a uma zona de reação contendo uma pluralidade de tubos contendo catalisador, para converter o hidrogênio e o nitrogênio a amônia e formar uma mistura enriquecida em amônia, com hidrogênio, nitrogênio e amônia; (c) indiretamente transferir calor dos tubos para a corrente rica em reagentes, em uma taxa efetiva para manter a mistura nos tubos abaixo da temperatura de equilíbrio, onde a taxa de transferência de calor em uma seção de temperatura decrescente da zona de reação excede o calor de reação para baixar a temperatura da mistura até a temperatura de descarga; e (d) recuperar um efluente, na temperatura de descarga das extremidades de saída dos tubos, enriquecido em amônia e pobre em nitrogênio e hidrogênio.

[00017] O catalisador pode incluir um metal de transição e, em uma forma de realização, pode incluir um metal do grupo da platina. O catalisador pode incluir rutênio em um suporte de carbono e, em uma forma de realização, pode incluir rutênio promovido em um suporte de carbono grafítico estabilizado por calor. Os tubos podem compor uma zona inicial de aumento de temperatura adjacente à entrada da passagem para reação onde o calor de reação excede a taxa de transferência de calor e a temperatura da mistura gasosa é crescente. Os tubos podem incluir uma série de zonas limitadas de reação e zonas contendo catalisador alternadas. A mistura na seção de temperatura decrescente pode ser mantida a uma temperatura dentro de 30°C da temperatura de equilíbrio da reação. O processo pode incluir também a passagem da corrente rica em reagentes através de um reator a montante compreendendo catalisador de magnetita, e suprir o efluente do reator de magnetita em série, como a corrente rica em reagentes introduzida no lado do casco do reator de troca de calor tipo casco e tubos. Em uma forma de realização, a corrente rica em reagentes introduzida pelo lado do casco do reator de troca de calor tipo casco e tubos pode incluir uma purga da corrente gasosa de um circuito de síntese de amônia. Os tubos com catalisador podem ser verticais e a mistura gasosa pode fluir para baixo através dos tubos. Os tubos podem compor uma zona inicial de temperatura crescente adjacente a uma saída da passagem para reação onde o calor de reação excede a taxa de transferência de calor e a temperatura da mistura gasosa é crescente. As zonas limitadas de reação podem ser não-reativas e podem ser isentas de catalisador. A seção de temperatura decrescente pode ser mantida ao longo de uma faixa de temperaturas que seguem a curva da concentração da amônia vs. temperatura de equilíbrio, para a pressão no reator, mantendo uma alta taxa de reação e uma alta eficiência do catalisador por todo o reator.

[00018] Em outra forma de realização, a invenção proporciona um conversor para síntese de amônia, que compreende: (a) meios para introduzir uma corrente gasosa rica em reagentes, a uma temperatura de alimentação, em uma passagem para troca de calor de uma zona de reação que troca calor para pré-aquecer a corrente rica em reagentes até uma temperatura de entrada; (b) meios para introduzir a corrente pré-aquecida rica em reagentes na temperatura de entrada em uma passagem para reação contendo catalisador, para exotermicamente converter o gás reagente a um produto gasoso para formar uma mistura dos produtos enriquecida em produto possuindo uma concentração de equilíbrio do produto que aumenta com a diminuição da temperatura e um coeficiente de taxa de reação que aumenta com o aumento da temperatura; (c) meios para indiretamente transferir calor da passagem para reação para a passagem para troca de calor em uma taxa efetiva para manter a mistura de gases abaixo da temperatura de equilíbrio, onde a taxa de transferência de calor em uma seção de diminuição de temperatura da passagem para reação excede o calor de reação para diminuir a temperatura da mistura de gases até uma temperatura de descarga; e (d) meios de saída da passagem para reação para recuperar um efluente enriquecido em produto gasoso na temperatura de descarga.

[00019] O conversor pode incluir meios para limitar a transferência de calor da passagem para reação para a passagem para troca de calor próximo à saída da seção de tubos de catalisador. O gás reagente pode compreender uma mistura de nitrogênio e hidrogênio, e o produto gasoso pode compreender amônia. O catalisador pode incluir um metal de transição e, em uma forma de realização, pode incluir um metal do grupo da platina. O catalisador pode incluir rutênio em um suporte de carbono e, em uma forma de realização, pode incluir rutênio promovido em um suporte de carbono grafítico estabilizado por calor. A zona de reação que troca calor pode compor um trocador de calor do tipo casco e tubos. A passagem para troca de calor pode incluir uma passagem pelo lado do casco através do trocador de calor e a passagem contendo catalisador pode incluir uma passagem pelo lado dos tubos através de uma pluralidade de tubos verticais paralelos contendo o catalisador. A passagem para reação pode incluir uma zona inicial geralmente adiabática adjacente a uma entrada para a passagem para reação, onde o calor de reação excede a taxa de transferência de calor e a temperatura da mistura gasosa se eleva. A passagem para reação pode incluir também uma pluralidade de zonas limitadas de reação e zonas contendo catalisador alternadas. As zonas limitadas de reação podem ser não-reativas e podem ser isentas de catalisador. O conversor pode incluir também meios para manter a temperatura da mistura gasosa nos tubos dentro de 30°C da temperatura de equilíbrio para a concentração de amônia, na medida em que a mistura gasosa passa através dos tubos.

[00020] Em outra forma de realização a invenção proporciona um conversor para síntese de amônia, que compreende: (a) um reator de troca de calor do tipo casco e tubos compreendendo uma passagem para troca de calor no lado do casco e uma passagem para reação compreendendo uma pluralidade de tubos contendo catalisador; (b) uma entrada para introduzir uma corrente rica em reagentes compreendendo hidrogênio e nitrogênio, em uma temperatura de alimentação, na passagem para troca de calor para pré-aquecer a corrente rica em reagentes; (c) uma entrada para introduzir a corrente pré-aquecida na passagem para reação; (d) uma série de zonas limitadas de reação e zonas de reação contendo catalisador alternadas, nos tubos, para converter o hidrogênio e o nitrogênio a amônia para formar uma mistura de hidrogênio, nitrogênio e amônia enriquecida em amônia; e (e) uma saída do reator para recuperar um efluente dos tubos, na temperatura de descarga, enriquecido em amônia e pobre em nitrogênio e hidrogênio.

[00021] A passagem pelo lado do casco pode incluir uma pluralidade de chicanas para direcionar o fluxo da corrente rica em reagentes no sentido transversal aos tubos de reação. Os espaçamentos entre as chicanas na passagem pelo lado do casco podem ser variáveis, como por exemplo, com um espaçamento das chicanas mais próximo junto à extremidade de entrada dos tubos de reação e um espaçamento aumentado entre chicanas adjacentes junto à extremidade de saída dos tubos de reação. Os tubos de reação podem incluir uma série de zonas limitadas de reação e zonas contendo catalisador, alternadas. O catalisador pode incluir um metal de transição e, em uma forma de realização, pode incluir um metal do grupo da platina. O catalisador pode incluir rutênio em um suporte de carbono e, em uma forma de realização, pode incluir rutênio promovido em um suporte de carbono grafítico estabilizado por calor. Os insertos podem ser selecionados do grupo que consiste de: telas e haste; telas e malha de arame; telas e fita torcida; recheio estruturado metálico ou cerâmico; blocos de malha metálica ou cerâmica; espuma metálica ou cerâmica; e recheio metálico estruturado. O conversor pode incluir também um reator a montante compreendendo catalisador de magnetita e uma descarga ligada operacionalmente à entrada do conversor. O conversor pode incluir ainda uma pluralidade de reatores de troca de calor tipo casco e tubos, com as entradas do conversor ligadas à descarga do reator contendo magnetita, em um fluxo paralelo. A corrente rica em reagentes pode ser introduzida pelo lado do casco ao reator de troca de calor do tipo casco e tubos e, em uma forma de realização, pode incluir uma corrente de gás de purga de um circuito de síntese de amônia. O conversor pode incluir defletores de tubos para limitar a transferência de calor da passagem para reação para a passagem para troca de calor próximo à seção de saída dos tubos. Os tubos podem ser verticais e a mistura gasosa pode fluir para baixo ao longo dos tubos. Os tubos podem incluir uma seção adiabática adjacente à entrada da passagem para reação, onde o calor de reação excede a taxa de transferência de calor, e a temperatura da mistura gasosa se eleva.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00022] A Fig.l é um desenho de seção em corte esquemático de um conversor de amônia de acordo com uma forma de realização da invenção.

[00023] A Fig. IA é uma vista em seção, lateral, esquemática ampliada de outra forma de realização da parte inferior do conversor de amônia da Fig. 1.

[00024] A Fig. 2 é uma vista de seção em corte lateral esquemática de um tubo de catalisador do conversor da Fig. 1.

[00025] A Fig. 3 é um desenho esquemático de uma forma de realização do inserto usado no tubo de catalisador da Fig. 2.

[00026] A Fig. 4 é um desenho esquemático de uma forma de realização alternativa do inserto usado no tubo de catalisador da Fig. 2.

[00027] A Fig. 5 é um desenho esquemático de uma forma de realização alternativa do inserto usado no tubo de catalisador da Fig. 2.

[00028] A Fig. 6 é um desenho esquemático de uma forma de realização alternativa do inserto usado no tubo de catalisador da Fig. 2.

[00029] A Fig. 7 é um desenho esquemático de um arranjo de conversor de múltiplas camadas de uma forma de realização alternativa da invenção.

[00030] A Fig. 8 é um esquema de processo de um circuito para síntese de amônia, com um conversor de acordo com uma forma de realização alternativa da invenção.

[00031] A Fig. 9 é uma ilustração gráfica que compara a conversão a amônia e temperaturas de conversores de amônia adiabáticos em estágios (inter-resfriados) e conversores de amônia isotérmicos, da tecnologia precedente, com um conversor de acordo com uma forma de realização da presente invenção.

[00032] A Fig. 10 é uma folha de carga de conversor que ilustra a atividade e temperaturas no lado do casco e no lado dos tubos, como uma função do volume cumulativo de catalisador, de acordo com uma forma de realização de um conversor de amônia de acordo com a presente invenção.

[00033] A Fig. 11 mostra curvas de resfriamento/aquecimento que ilustram as temperaturas no lado do casco e no lado dos tubos como uma função do calor trocado cumulativo de acordo com a forma de realização da Fig. 10.

[00034] A Fig. 12 e uma folha de carga de conversor que ilustra a concentração de amônia como uma função da temperatura no lado dos tubos em relação à curva de equilíbrio de acordo com a forma de realização das Figs. 10-11.

[00035] A Fig. 13 é um gráfico do coeficiente global de transferência de calor como uma função do volume cumulativo de catalisador, de acordo com a forma de realização das Figs. 10-12.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[00036] A invenção será descrita por meio de exemplos tendo como referência as FIGS. 1-13, exemplos esses que não devem ser considerados como limitação em relação aos elementos dos aparelhos e às etapas de processo da invenção. A presente invenção está direcionada a reator de síntese para reações exotérmicas que pode melhor se aproximar das curvas de equilíbrio temperatura/concentração para conversão dos reagentes a produtos. Os usos do catalisador e as produções das reações podem ser melhorados em relação aos processos existentes para reatores isotérmicos e adiabáticos em estágios. As vantagens da presente invenção são levadas a efeito pela retirada de calor dos tubos cheios com catalisador do conversor para manter a temperatura de reação, dentro da maior parte do comprimento dos tubos cheios com catalisador, próxima da ótima. No decorrer deste pedido os termos reator e conversor podem ser usados de forma intercambiável.

[00037] Os exemplos de reações catalíticas em fase gasosa do tipo exotérmicas, praticadas comercialmente, e que podem ser levadas a efeito em um reator 100, como mostrado na FIG. 1, incluem: reações de síntese para produção de amônia, reações de síntese para produção de metanol, reação de deslocamento para produção de CO e H2, metanização, oxidação de hidrocarbonetos para síntese de anidrido malêico; outras reações exotérmicas acima mencionadas e similares. O reator da presente invenção é particularmente bem apropriado para a síntese de amônia, a qual é utilizada daqui por diante como exemplo com a finalidade de ilustração. O uso do catalisador, as taxas de reação e a conversão total a amônia podem ser melhoradas em relação à tecnologia existente empregando leitos de catalisador adiabáticos e múltiplos leitos, e trocadores de calor entre os leitos para resfriar o gás de alimentação.

[00038] Para manter o equilíbrio que favorece a síntese de produtos em reações exotérmicas, o calor é tipicamente removido na medida em que a reação progride. De modo geral, mais calor é removido no início da reação que aquele removido no final da reação. O perfil da temperatura no tubo com catalisador pode ser mantido, pelo que as temperaturas mais elevadas são geradas na entrada dos tubos com catalisador (i.e., próximo à extremidade superior do tubo, com fluxo descendente de gás) e as temperaturas na saída do tubo com catalisador podem ser mantidas na temperatura mínima efetiva do catalisador, para assegurar altas taxas de conversão. A taxa de conversão pode ser maior junto à extremidade de entrada do tubo com catalisador uma vez que a concentração de amônia pode ser baixa neste ponto da reação e a temperatura alta assegura uma cinética favorável. A taxa de conversão pode ser mais baixa junto à extremidade de saída do tubo com catalisador e um maior volume de catalisador é requerido por unidade de massa do produto gerado. A taxa da geração de calor pode ser relativamente baixa quando comparada com o potencial de transferência de calor devido à elevada área de superfície que se toma disponível na medida em que mais catalisador é carregado na extremidade inferior do tubo com catalisador. Para evitar um excesso de resfriamento do gás de reação, parte da área da superfície de transferência de calor pode ser bloqueada, de tal modo que a transferência de calor fica inibida na área bloqueada.

[00039] Tomando como referência as FIGS. 1 e 2, está proporcionado ali um reator 100 que consiste de um casco 101, chicanas 106, tubos internos com catalisador 109 e defletores de tubo 116. Como mostrado na FIG. IA, numerosos dispositivos de bloqueio de fluxo (116) podem ser proporcionados por todo o reator. A altura vertical do defletor 116 pode ser selecionada de modo a aproximar o perfil de temperatura do catalisador tão próximo quanto possível do perfil da taxa de reação máxima, pela redução da área do tubo com catalisador exposta e resfriada pela corrente de alimentação que entra. O dispositivo de bloqueio pode ser formado com o uso de dois espaçadores ou chicanas consecutivos no lado do casco. A corrente de alimentação entra no reator 100 através da entrada 102, localizada junto ao fundo do casco do reator, e flui para cima através de uma série de chicanas horizontais 106. A corrente de alimentação pode ser pré-aquecida através de troca de calor indireta com os tubos com catalisador 109 localizados verticalmente no interior do casco 101 do reator. Opcionalmente, a corrente de alimentação pode ser pré-aquecida a montante da entrada 102 do reator. Caso desejado, outras entradas adicionais para a alimentação, mostradas como 102A, 102B e 102C, podem ser adicionadas ao casco 101 do reator. A temperatura do material de alimentação pode ser controlada pela instalação de um desvio paralelo a jusante de um pré-aquecedor (não mostrado), pelo que o gás frio pode ser misturado com uma parte do gás pré-aquecido para obter assim uma temperatura ótima de entrada. As chicanas podem possuir, caso desejado, um espaçamento variável entre as chicanas individuais adjacentes, para auxiliar a aumentar de forma gradual a transferência de calor na aproximação da extremidade de entrada 110 do tubo com catalisador 109. Por exemplo, o espaçamento entre chicanas adjacentes pode ser menor próximo do topo do reator que no fundo do reator. Os tubos com catalisador 109 são, de forma desejável, suportados em um espelho 104, de uma maneira convencional tal como soldando os tubos 109 ao espelho 104, ou por qualquer outro processo conhecido nesta tecnologia. O espelho 104 separa o lado dos tubos (produto da reação) do lado do casco (corrente de alimentação) do reator 100.

[00040] O reator 100 pode incluir uma placa difusora (não mostrada) localizada na parte superior do reator próxima à entrada dos tubos com catalisador, para assegurar uma mistura apropriada dos gases de alimentação. Um desvio de contorno para a entrada 111 pode ser posicionado no topo do reator 100 o qual pode proporcionar uma corrente de alimentação pré-aquecida, caso desejado. O desvio de contorno para a entrada 111 pode ser usado para controlar a temperatura do gás de alimentação na entrada para os tubos com catalisador 109. Uma placa difusora (não mostrada) pode ser localizada próxima ao desvio de contorno para a entrada 111, para assegurar uma mistura apropriada com a alimentação suprida para a entrada 102. A corrente de alimentação entra nos tubos com catalisador 109 através das entradas 110 para os tubos com catalisador localizadas na parte mais acima dos tubos verticais com catalisador 109. De modo geral, a corrente de alimentação flui em contra-corrente com a direção do fluxo ao longo dos tubos com catalisador 109, i.e., o gás reagente flui para cima no lado do casco do reator e para baixo ao longo dos tubos com catalisador. O efluente convertido deixa os tubos com catalisador 109 pelas saídas 113 dos tubos com catalisador, localizadas na parte mais abaixo dos tubos com catalisador 109 e na parte mais baixa do reator 100. Uma tela 114, localizada abaixo do espelho 104 evita a perda de catalisador para a zona de saída do reator. O efluente produto pode deixar o reator 100 através da saída 112 do reator.

[00041] Tomando como referência agora a FIG. 2, uma seção em corte em detalhe do tubo com catalisador 109 localizado no reator 100 é proporcionada. O tubo com catalisador possui, de uma forma desejável, entre 25 e 75 mm de diâmetro, sendo mais desejável entre 38 e 63 mm de diâmetro. O comprimento do tubo com catalisador é, de forma desejável, entre 3 e 8 metros, sendo mais desejável entre 4 e 6 m. O tubo consiste de zonas limitadas de reação 124 e zonas reativas 122 altemadamente. As zonas reativas 122 podem consistir de catalisador com alta atividade e as zonas limitadas de reação 124 podem consistir de insertos espaçadores não-reativos, para separar as zonas com catalisador e transferir uma parte do calor de reação para o lado do casco do reator. As zonas limitadas de reação podem ser não-reativas e, em uma forma de realização, as zonas limitadas de reação podem ser isentas de catalisador. As chicanas 106 ficam localizadas no interior do casco 101 do reator para guiar o fluxo de fluido e facilitar a transferência de calor entre a corrente de alimentação e os tubos com catalisador 109. O tubo com catalisador 109 pode ficar suportado na sua base por uma placa tubular 104. A tela para catalisador 114, que localizada por baixo dos tubos com catalisador, facilita a retenção do catalisador pelo fundo do tubo 109. O tubo com catalisador pode consistir também de uma tela ou cobertura 110 localizada na parte mais alta do tubo vertical.

[00042] Tipicamente, o conversor pode ser dimensionado e projetado com base nas condições de operação do catalisador na medida em que a atividade do catalisador diminui. Para obter uma boa operação ao longo de toda a corrida, incluindo no início da corrida quando a atividade do catalisador é alta, o resfriamento da parte mais baixa do conversor pode ser minimizado ou mesmo eliminado. As uma ou mais entradas de corrente de contorno 102A, 102B e 102C (ver FIG. 1) podem ser usadas para contornar a seção de resfriamento correspondente da parte mais baixa dos tubos com catalisador 109. Esse aspecto de contorno pode ser usado dependendo das condições de operação e da atividade do catalisador e pode ser usado para evitar um resfriamento em excesso do catalisador quando as condições de operação são diferentes daquelas usadas quando do dimensionamento do conversor. O resfriamento em excesso do catalisador pode fazer com que a reação se processe em uma temperatura muito baixa para obter uma conversão ótima dos reagentes na extremidade de saída do tubo com catalisador.

[00043] Uma vez que os tubos com catalisador podem ser montados em um arranjo vertical, a tela 114 localizada no fundo desempenha um papel importante na retenção das partículas de catalisador no tubo 109. Telas tais como as telas Johnson Vee-Wire, fornecidas pela UOP, podem ser bem apropriadas para uso no sistema de conversão. Os insertos 124 podem compreender uma diversidade de formas, conforme mostrado nas FIGS. 3-6. De modo alternativo, os insertos de fita torcida, tais como por exemplo, os turbuladores fabricados pela Brown Fintube, HiTRAN® Matrix Element, fabricados pela CalGavin Co., ou os misturadores estáticos disponíveis de diversos fabricantes, e soldados a uma tela Johnson, podem ser usados como os insertos 124 para a zona não-reativa ou de reduzida atividade. Os insertos 124 podem ser construídos de diversos materiais, selecionados com base nas propriedades de transferência de calor do material selecionado. Os insertos 124 podem ser fixados em seus lugares dentro do tubo com catalisador 109 ou, opcionalmente, eles podem ser colocados entre camadas do catalisador 122, pelo que os insertos 124 podem se movimentar em conjunto com o catalisador 122, na medida em que uma acomodação do catalisador pode ocorrer durante a operação normal. Dependendo do tipo de inserto 124, pode ser desejável soldar os insertos a uma haste para manter as zonas reativas com um determinado volume de catalisador e em um determinado local, evitando deste modo que as zonas de catalisador 122 se movimentem dentro do tubo 109. Deve ser antecipado que o volume de catalisador de uma determinada zona reativa pode variar em até 10 %, do início da reação até o término da reação, uma vez que pode ocorrer uma acomodação do catalisador durante a operação do reator.

[00044] Diversos materiais, tais como por exemplo, elementos de inserção e telas, podem ser usados como insertos 124 para a zona não-reativa ou de atividade reduzida dentro do tubo com catalisador 109, incluindo: telas e haste; telas e malha de arame; telas e fita torcida; espuma de metal, insertos tipo misturador estático; e similares. A tela pode ser fixada com um selo (e.g., um selo tipo folha) sobre a circunferência do inserto 124. Um meio para inibir que o catalisador passe através, ou fique alojado entre a tela e o tubo, pode ser também proporcionado. O meio para inibir que o catalisador passe através ou em volta da zona não-reativa ou de atividade reduzida pode compensar as variações típicas no diâmetro do tubo do reator e uma eventual ovalização na seção em corte do tubo. De forma ideal, os insertos 124 podem desempenhar múltiplas funções incluindo, mas não limitado às mesmas, proporcionar uma zona não-reativa ou com atividade reduzida dentro do tubo com catalisador 109, acentuar a transferência de calor entre o lado do casco e o lado dos tubos do reator, e acentuar a mistura dos fluidos no lado dos tubos do reator. Os insertos de fita torcida podem ser usados como inserto 124, possuindo de modo desejável um comprimento de mesma extensão que o comprimento desejado para a zona de atividade reduzida ou não-reativa. A fita torcida pode possuir um diâmetro externo que é aproximadamente igual ao diâmetro interno do tubo, de tal modo que uma relação do diâmetro do tubo para o diâmetro do recheio é de cerca de 1. O inserto pode ser também de uma ou mais peças empilhadas de recheio metálico estruturado, tal como os recheios de laboratório da Sulzer Tipo DX, Tipo EX ou Tipo DXM/DYM, produzidos pela Sulzer Chemtech e dimensionados para se adaptarem de forma justa ao diâmetro interno de tubos de reatores. Uma ou mais partes de recheio estruturado com menor comprimento podem ser empilhadas extremidade-com-extremidade, em diversos múltiplos e combinações para formar numerosos comprimentos diferentes de zonas de atividade reduzida ou não-reativas intercaladas com diferentes comprimentos de zonas reativas de catalisador, conforme for requerido para obter uma configuração desejada. De modo similar, o inserto não-reativo pode ser de um ou mais blocos de malha metálica, tal como o recheio Hyperfil® High Efficiency Column Packing, um recheio de malha para destilação produzido pela Enhanced Separation Technologies, LLC. Os blocos de malha metálica podem ser projetadas para se adaptarem de forma justa ao diâmetro interno de tubos de reator e podem ser empilhadas umas sobre as outras quando múltiplos blocos são usados para criar uma única e contígua zona não-reativa com um comprimento desejado. Isto pode reduzir a complexidade na fabricação dos insertos.

[00045] O inserto não-reativo pode ser, em outra forma de realização, uma espuma cerâmica. A espuma cerâmica pode ser produzida preenchendo os espaços vazios de uma esponja orgânica com um precursor de cerâmica fluidizado e eliminando o substrato por queima, para formar a espuma cerâmica. De modo vantajoso, a espuma cerâmica pode ser cortada em comprimentos mais curtos, e pode ser empilhada extremidade-com-extremidade em cada tubo para obter uma zona limitada ou não-reativa com o comprimento desejado.

[00046] Diversos catalisadores podem ser usados com a presente invenção, incluindo os catalisadores à base de magnetita, tradicionais para a síntese de amônia. De modo desejável, um catalisador à base de rutênio pode ser usado nos tubos com catalisador do reator. O catalisador de rutênio pode possuir um diâmetro efetivo entre 1,5 e 2,0 mm, e pode ser conformado em uma variedade de formas, em um material de suporte à base de carbono. O catalisador pode ser de rutênio promovido em um suporte de carbono estabilizado por calor. O catalisador à base de rutênio pode apresentar uma atividade de até 20 vezes maior que a magnetita, e o desempenho pode ser mantido não só em altas concentrações de amônia como também ao longo de uma ampla faixa de relações hidrogênio-para-nitrogênio. Em adição o catalisador de rutênio pode permitir que a síntese de amônia seja conduzida em pressões mais baixas que as pressões necessárias para a síntese levada a efeito com catalisador de magnetita.

[00047] A substituição do catalisador pode ser levada a efeito de diversas maneiras. Como ilustrado na FIG. 1, o reator 100 pode possuir um flange 115, que permite a separação e remoção da parte do topo do casco 101 para acesso aos tubos 109 com catalisador. A placa tubular 104 pode ser fixado no lugar e o catalisador pode ser removido dos tubos através de meios com vácuo. De modo alternativo, o reator 100 pode ser arranjado com o canal 113 localizado no topo do casco do reator 100. Com esse arranjo, os tubos com catalisador 109 e a placa tubular 104 ficam então suportados no topo do casco 101 do reator e todo o feixe 104 e 109 pode ser removido para substituição do catalisador.

[00048] Em outra forma de realização da presente invenção, mostrada na FIG. 7, múltiplos reatores podem ser usados em paralelo. O vaso 200 apresenta dois reatores, 201A e 201B, possuindo cada um, tubos verticais com catalisador, 216A e 216B, arranjados em paralelo. Uma primeira corrente de alimentação gasosa de partida 202 é introduzida aos reatores em paralelo 201A e 201B, pelas entradas 204A e 204B, respectivamente, cada uma localizada no topo do seu respectivo reator. O gás de partida 202 pode ser pré-aquecido caso desejado. As entradas 204A e 204B podem ficar localizadas acima dos topos dos tubos de catalisador 216A e 216B localizados dentro dos reatores 201A e 201B, respectivamente. Uma segunda corrente de alimentação 205 de um circuito de síntese usando catalisadores com atividade mais baixa, tal como por exemplo, magnetita, pode ser introduzida aos reatores por meio das entradas 206A e 206B, localizadas junto às bases dos tubos com catalisador 216A e 216B. Os reatores 201A e 201B podem incluir uma série de chicanas 212A e 212B através das quais uma segunda corrente de alimentação 205 passa e sofre uma troca de calor indireta com os tubos 216A e 216B, com catalisador. As chicanas 212A e 212B podem ser, opcionalmente, espaçadas mais próximas na parte mais acima do reator, como ilustrado na FIG. 7, e podem deste modo aumentar a troca de calor entre a segunda corrente de alimentação 205 e parte superior dos tubos 216A e 216B, com catalisador. A primeira corrente de alimentação, de partida, aquecida, 202, e a segunda corrente de alimentação aquecida 205, entram nos tubos 216A e 216B com o catalisador pelas entradas 214A e 214B, respectivamente. Os tubos com catalisador 216A e 216B podem apresentar zonas alternadas reativas e não-reativas, conforme anteriormente descrito e ilustrado na FIG. 2. O efluente produto deixa os tubos com catalisador 216A e 216B, passa através das telas 210A e 210B para catalisador, e deixa os reatores 201A e 201B por meio das saídas 220A e 220B.Os efluentes produto dos reatores 201A e 201B podem ser combinados para formar o efluente produto 222, o qual pode ser introduzido em uma série de trocadores de calor (não mostrado) para resfriar o produto e indiretamente aquecer o gás de alimentação, ou pode ainda, opcionalmente, ser usado em outros processos de recuperação de calor. De uma maneira similar, o conversor pode ser usado em conjunto com um reator com magnetita de leito fixo, a montante (não mostrado). De modo geral, o(s) leito(s) de magnetita e trocadores de calor de núcleo podem ser também alojados no vaso 200, como indicado na FIG. 7.

[00049] Um processo esquemático para um exemplo de circuito de síntese de amônia possuindo um conversor de acordo com outra forma de realização da invenção, está mostrado na FIG. 8. O gás de síntese de alimentação 302 entra no compressor 304 e, no exemplo mostrado, o gás que sai possui uma temperatura de 70°C e uma pressão de 9,43 MPa. Caso desejado, uma etapa criogênica de purificação pode ser usada para proporcionar um gás de complementação de alta pureza para o circuito de síntese de amônia. A etapa de purificação, de modo desejável, remove do gás de alimentação o excesso de nitrogênio, junto com metano e argônio. O gás de alimentação comprimido flui através da corrente 306 para um primeiro trocador de calor cruzado 308 onde ele é aquecido para 234°C e em seguida através da corrente 310 para um segundo trocador de calor cruzado 312 onde o gás de alimentação é aquecido ainda mais, para 357°C. A alimentação aquecida flui por meio do percurso 314 para um conversor com magnetita de fluxo radial 316, que possui um leito de catalisador de magnetita, e entra nesse conversor por meio da entrada 318. De modo desejável, o conversor com magnetita 316 pode possuir mais de um leito de catalisador. Após resfriamento no trocador de calor 317 da magnetita, o efluente do conversor com magnetita 316 sai por meio da saída 320, a uma temperatura neste exemplo de 392°C e uma pressão de 9,18 MPa. O efluente é resfriado por meio do segundo trocador de calor cruzado 312 até uma temperatura de 266°C. O efluente é resfriado ainda mais por meio do primeiro trocador de calor 322 até uma temperatura de 217°C, a uma pressão de 9,11 MPa.

[00050] O efluente resfriado 324 entra no conversor 326 por meio da entrada 328, flui através de uma série de chicanas em uma troca de calor indireta com os tubos com catalisador 330, flui para a extremidade de entrada 331 dos tubos 330 com catalisador, e deixa os tubos com catalisador 330 e o reator 326 por meio da saída 334. Os tubos com catalisador 330 podem consistir de camadas alternadas de catalisador e espaçadores inertes, conforme anteriormente discutido e mostrado na F1G. 2, criando deste modo zonas reativas e não-reativas em cada tubo com catalisador 330. O catalisador pode ser um catalisador à base de rutênio, sendo desejável de rutênio promovido em um suporte de carbono grafítico estabilizado por calor, embora outros catalisadores com alta atividade ou materiais de suporte similares possam ser usados. O efluente de amônia do conversor 326 possui uma temperatura de 373°C e uma pressão de 8,90 MPa, neste exemplo. A queda de pressão total para o conversor é, desejavelmente, menor que 0,2 MPa.

[00051] O efluente quente de amônia que sai do conversor 326 se encontra disponível para recuperação de calor e flui por meio da linha 338 para o trocador de calor do conversor com magnetita 317 onde ele é aquecido para uma temperatura de 448°C. A corrente de amônia deixa o conversor com magnetita por meio da linha 343 e passa através do segundo trocador de calor 344, deixando o segundo trocador de calor 344 por meio da linha 345, onde a corrente de amônia se resinou para uma temperatura de 261°C. A corrente 345 flui para o primeiro trocadores de calor cruzado 308, para resfriamento adicional, e para a linha 348 onde a corrente resfriada de amônia possui uma temperatura de 87°C e uma pressão de 8,76 MPa, e que flui para um resfriador com água gelada 350. A amônia resfriada entra em uma unidade convencional de refrigeração 354, através da linha 352, onde o efluente do reator pode ser dividido em três correntes. A corrente 356 pode ser reciclada como uma mistura de amônia e hidrogênio para o compressor 304, por meio da linha 362, onde ela é combinada com o gás de síntese 302 ou, de modo alternativo, a amônia é separada do hidrogênio por meio de uma unidade de recuperação de amônia convencional 363 e que proporciona uma corrente de hidrogênio 364 para dessulfurização, por exemplo. O gás de purga pode ser processado ainda mais em uma unidade de membrana para recuperação de hidrogênio, a qual pode recuperar até 90 % do hidrogênio para reciclo. O gás de rejeito do separador de membrana pode ser combinado com outras correntes de gases de purga geradas no processo e usadas como um combustível suplementar. A corrente 358 proporciona uma mistura que pode ser, ou reciclada para uma unidade de purificação (não mostrado) para recuperação do hidrogênio, ou purgada como combustível para reatores (não mostrado). A corrente 360 proporciona uma corrente de amônia produto purificada.

[00052] O conversor pode ser projetado para operar com uma de duas finalidades em mente: (a) minimizar o uso de catalisador, ou (b) maximizar a conversão de amônia. No primeiro cenário, o conversor pode operar usando um volume menor de catalisador, embora ainda obtendo altas produções de amônia. Deste modo o conversor pode operar com menores custos de catalisador que os sistemas similares que empregam leitos de reator adiabáticos. No segundo cenário, o reator pode ser operado usando um volume maior de catalisador que aquele do primeiro cenário, obtendo deste modo uma maior conversão de amônia com a eficiência do catalisador reduzida.

[00053] O conversor pode ser bem adequado para desobstruir plantas existentes, aumentando deste modo a produção e/ou a produtividade. O conversor pode ser instalado como um item específico “de adição” a uma planta existente, para recuperação e conversão de correntes de gás de purga. Uma vez que o conversor pode ser disposto em uma aplicação de retro-adaptação, como um conversor “de adição”, para suplementar a produção de amônia de uma ou mais plantas existentes, de síntese de amônia, a produção básica pode não ser afetada durante a instalação. Além disso, muito pouco tempo de paralisação da planta seria sentido durante a parada para retro-adaptação requerida para fazer as interligações e completar a instalação da retro-adaptação.

[00054] O conversor demonstra uma capacidade em proporcionar uma conversão mais elevada da alimentação por se aproximar muito próximo da linha de equilíbrio para a reação. A FIG. 9 ilustra uma comparação entre as curvas de conversão teóricas temperatura: amônia, para a linha de equilíbrio da reação 400, um reator de três estágios com resfriamento intermediário 402, para um reator isotérmico 404 e um reator 406. A linha teórica de equilíbrio da reação 400, como mostrada na FIG. 9, demonstra que, com um tempo de residência ilimitado, a conversão aumenta com a diminuição da temperatura. O reator adiabático de três estágios 402 emprega uma série de três resfriadores intermediários para reduzir a temperatura entre os estágios no reator e aumentar a conversão de amônia. Os ciclos de aquecimento e de resfriamento são discemíveis uma vez que não há conversão durante a etapa de resfriamento. A conversão e a taxa de reação usando um reator isotérmico 404 são limitadas pela temperatura na qual a reação é conduzida. Como mostrado na FIG. 9, o reator 406 proporciona alta eficiência de conversão, uma vez que o reator proporciona uma conversão aumentada na medida em que a temperatura diminui, seguindo aquela curva de equilíbrio da reação, calculada.

[00055] O catalisador requerido pode ser significativamente reduzido e a conversão de amônia no reator pode ser melhorada quando comparado com os reatores, adiabático em estágios e isotérmico. Por exemplo, para obter conversões equivalentes em passe-único usando um catalisador para amônia de alta-atividade, o catalisador requerido para o reator da presente invenção, em algumas formas de realização, pode ser cerca de 30 % a menos que aquele requerido para o reator adiabático em estágios. Considerando que os processos de conversão de amônia típicos em reatores adiabáticos em estágios apresentam conversões em passe-único que produzem concentrações de amônia no efluente do reator de cerca de 20,6 % em moles, o reator da presente invenção é capaz de obter conversões em passe-único que produzem concentrações de amônia no efluente do reator acima de 22 % em moles e, em algumas formas de realização, acima de 22,8 % em moles, quando usado um excesso de carga de catalisador, de um catalisador à base de rutênio de alta atividade.

[00056] O reator pode possuir entre 200 e 10000 tubos com catalisador sendo desejável entre 1500 e 2500 tubos com catalisador. Cada reator pode conter entre cerca de 30 e 35 m3 do catalisador à base de rutênio, carregado em tubos para catalisador, intercalado com insertos não-reativos como anteriormente descrito e mostrado na FIG. 2. A FIG. 10 mostra a mudança de temperatura para ambos, o tubo e o lado do casco do reator por metro cúbico de catalisador, bem como o calor total produzido com um volume particular de catalisador em um exemplo simulado, para uma forma de realização da invenção. Conforme mostrado, os primeiros 1 a 6 m3 do catalisador são assumidos como sendo uma zona geralmente adiabática, onde a reação pode prosseguir sem transferir todo ou uma parte do calor gerado pela reação exotérmica. Neste exemplo, a temperatura do lado do casco na zona geralmente adiabática permanece essencialmente constante enquanto a temperatura no lado dos tubos aumenta até um máximo entre 416-427°C. A transferência de calor se inicia após a zona geralmente adiabática, e totaliza entre 135 e 150 GJ (130 e 140 MMBtu).

[00057] A FIG. 11 mostra uma curva de aquecimento e resfriamento para os lados do tubo e do casco, da simulação de reator da FIG. 10, como uma função do calor trocado acumulado. A jusante da zona geralmente adiabática, a temperatura no lado dos tubos diminui de cerca de 416-427°C para cerca de 377°C. A relação linear entre as temperaturas no lado dos tubos e no lado do casco demonstra uma boa troca de calor.

[00058] A FIG. 12 mostra a concentração de amônia como uma função da temperatura no lado do tubo em relação com o equilíbrio para a reação, para a simulação das FIGS. 10-11. A temperatura no lado do tubo na zona geralmente adiabática mostra um aumento constante na temperatura até cerca de 421°C, ponto esse no qual a curva de operação começa a ficar paralela com a curva de equilíbrio da reação, com a temperatura da reação sendo mantida dentro 4-15°C da temperatura de equilíbrio para a mesma concentração de amônia, e o conteúdo de amônia dos gases reagentes em 4-6 % em moles abaixo do conteúdo de amônia no equilíbrio, na mesma temperatura de reação. A diminuição na temperatura é obtida porque a troca de calor indireta entre a alimentação no lado do casco e o tubo com catalisador excede o calor de reação em uma quantidade controlada. A composição do gás de alimentação para o reator neste exemplo é de cerca de 55,9 % de H2, 29,0 % de N2, 3,9 % de CH4, 1,9 % de Ar e 9,2 % de NH3. A alimentação para a entrada no lado do casco possui uma temperatura inicial de 217°C. O efluente produto possui uma composição de cerca de 46,1 % de H2, 26,9 % de N2, 4,3 % de CH4, 2,1 % de Ar e 20,6 % de NH3. A conversão total, como mostrado na FIG. 12, é em excesso de 20 %, com uma temperatura de saída entre 371-377°C, e uma pressão de cerca de 8,85 MPa.

[00059] O produto do coeficiente de transferência de calor vezes a área de superfície (UA) necessário para manter o reator operando paralelo à curva de equilíbrio da FIG. 12 está mostrado na FIG. 13. O UA requerido é o maior na parte inicial da reação, após a zona geralmente adiabática. O UA requerido na entrada da zona de catalisador é cerca de 14 vezes maior que aquele requerido na saída, e pode ser obtido através do uso de superfícies estendidas, área de superfície variada, espaçadores não-reativos, chicanas ou similares.

[00060] O reator pode obter a conversão de amônia e a eficiência do catalisador aumentadas pelo controle da temperatura no tubo com catalisador. Uma transferência de calor aumentada entre o tubo com catalisador e o efluente no lado do casco do reator pode ser obtida através do uso de insertos não-reativos colocados no interior dos tubos com catalisador, como mostrado na FIG. 2. Esses insertos podem aumentar a área de superfície disponível para transferência de calor, para um volume equivalente de catalisador. De modo alternativo, partes da alimentação podem ser introduzidas no fundo do reator, e pré-aquecidas pelas chicanas. Uma ou mais partes adicionais da alimentação podem ser introduzidas no reator em um ponto, ou em vários pontos, abaixo da entrada para o tubo com catalisador, sendo desejável em locais abaixo da zona geralmente adiabática. Os tubos com catalisador podem incluir aletas na parte superior do tubo com catalisador, para aumentar a área de superfície para troca de calor. Isto pode ser desejável quando o coeficiente de transferência de calor do lado do casco é o dominante. De modo alternativo, o espaçamento das chicanas, entre chicanas adjacentes, pode ser variado de tal forma que o espaçamento diminui no sentido do topo do tubo com catalisador, i.e., o espaçamento entre as chicanas é maior no fundo do reator que no topo do reator. As formas do tubo com catalisador podem ser também variadas para aumentar o volume de catalisador em diferentes partes do tubo. Por exemplo, o tubo com catalisador pode apresentar uma forma ligeiramente cônica em vez de uma forma cilíndrica, proporcionando um maior volume de catalisador por área de tubo na parte inferior do tubo com catalisador que na parte superior do tubo com catalisador.

[00061] O conversor, em uma forma de realização da presente invenção, pode ser usado para tratar o gás de purga para incrementos de aumento na produção de amônia. Nos circuitos de síntese de amônia, uma corrente de purga pode ser empregada para remover gases inertes que possam se acumular no circuito. A corrente de purga contém tipicamente, amônia, H2, N2 e gases inertes (CH4, Ar e He). A corrente de purga pode ser processada para remover amônia e/ou hidrogênio, e usada como gás combustível. No caso do presente conversor, a vazão da purga pode ser aumentada de modo significativo para reduzir a quantidade de gases inertes na entrada principal para o conversor. Na prática dos processos da tecnologia precedente, o aumento na vazão da purga pode não ser econômico uma vez que ele pode levar a um desperdício de singás com alta pressão, com o consequente aumento da energia de compressão do produto. O conversor pode converter a amônia a maior parte do H2 e do N2 no gás de purga, e a vazão líquida do gás de purga pode ser mantida. O conversor pode ser usado para desobstruir, ou proporcionar um aumento de produção em numerosas plantas localizadas no mesmo local, uma vez que a corrente de purga de cada planta pode ser suprida a um único conversor, e processada no mesmo.

REIVINDICAÇÕES

Claims (17)

1. Processo de conversão para síntese de amônia, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: introduzir uma corrente rica em reagentes, a qual compreende hidrogênio e nitrogênio a uma temperatura de alimentação em uma passagem pelo lado do casco de um reator de troca de calor tipo casco e tubos (100), para pré-aquecer a corrente rica em reagentes até uma temperatura de entrada; introduzir a corrente rica em reagentes pré-aquecida da referida passagem pelo lado do casco à temperatura de entrada numa passagem de reação do reator de troca de calor tipo casco e tubos (100), em que a passagem de reação contêm urna pluralidade de tubos contendo catalisador (109) para converter tais hidrogênio e nitrogênio em amônia de modo a formar uma mistura de hidrogênio, nitrogênio e amônia enriquecida em amônia; transferir indiretamente o calor dos tubos (109) até a corrente rica em reagentes a uma taxa efetiva para manter a dita mistura nos tubos abaixo da temperatura de equilíbrio,em que a taxa de transferência de calor em uma seção de temperatura decrescente da passagem de reação excede o calor da reação de modo a baixar a temperatura da mistura até uma temperatura de descarga; e recuperar, das extremidades de descarga dos tubos, um efluente, àquela temperatura de descarga, enriquecido em amônia e pobre em nitrogênio e hidrogênio.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o catalisador compreende um metal do grupo da platina.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1. caracterizado pelo fato de que o catalisador compreende rutênio em um suporte de carbono.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos compreendem uma zona inicial de aumento de temperatura adjacente a uma entrada da passagem de reação, em que calor da reação excede a taxa de transferência de calor e a temperatura da mistura de gases é crescente.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os tubos compreenderem uma série de zonas contendo catalisador (122) e zonas limitadas de reação (124) alternadas.

6. Processo de acordo com a reivindicação I, caracterizado pelo fato de que a mistura naquela seção de temperatura decrescente é mantida a uma temperatura dentro de 30°C da temperatura de equilíbrio para a reação.

7. Processo de acordo com a reivindicação l * caracterizado pelo fato de que compreende ainda passar a corrente rica em reagentes através de um reator a montante compreendendo catalisador de magnetita,e suprir um efluente a partir do reator de magnetita em série como a corrente rica em reagentes que é introduzida pelo lado do casco ao reator de troca de calor tipo casco e tubos.

8. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente rica em reagentes que é introduzida pelo lado do casco ao reator de troca de calor tipo casco e tubos compreende uma corrente de gás de purga a partir de um circuito de síntese de amônia.

9. Conversor para síntese de amônia realizada pelo processo como definido na reivindicação 1. caracterizado pelo fato de compreender: um reator de troca de calor tipo casco e tubos (100), o qual inclui uma passagem de troca de calor pelo lado do casco e uma passagem de reação compreendendo uma pluralidade de tubos contendo catalisador (109); uma entrada (102) para introduzir uma corrente rica em reagentes que compreende hidrogênio e nitrogênio, a uma temperatura de alimentação, na passagem de troca de calor para pré-aquecer a corrente rica em reagentes; uma entrada para introduzir a corrente pré-aquecida na passagem de reação; uma série de zonas contendo catalisador (122) e zonas limitadas de reação (124) alternadas, nos tubos (109), para converter aqueles hidrogênio e nitrogênio em, amônia para formar uma mistura de hidrogênio, de nitrogênio e de amônia enriquecida em amônia; e uma saída (112) do reator para recuperar um efluente dos tubos (109), a uma temperatura de descarga, o qual é enriquecido em amônia e pobre em nitrogênio e em hidrogênio.

10. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a passagem pelo lado do casco compreende uma pluralidade de chicanas para direcionar o fluxo da corrente rica em reagentes transversalmente aos tubos de reação.

11. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que espaçamentos entre aquelas chicanas na passagem pelo lado do casco são variáveis, tendo um espaçamento mais próximo das chicanas junto à extremidade de entrada dos tubos de reação e com um espaçamento aumentado entre chicanas adjacentes junto à extremidade de saída dos tubos de reação.

12. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os tubos de reação compreendem uma série de zonas contendo catalisador (122) e zonas limitadas de reação (124) alternadas.

13. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de aqueles tubos contendo catalisador compreenderem rutênio em um suporte de carbono.

14. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de dispositivos de insertos serem selecionados a partir do grupo que consiste de telas e haste; telas e malhas em arames; telas e fita torcida; recheio estruturado metálico ou cerâmico; blocos de malha metálica ou cerâmica; espuma de metal ou de cerâmica; e recheio metálico estruturado.

15. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender ainda um reator a montante que compreende catalisador de magnetita e uma descarga operacionalmente acoplada à entrada do conversor.

16. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender ainda uma pluralidade de reatores de troca de calor tipo casco e tubos para receber o efluente do reator de magnetita com fluxos em paralelo.

17. Conversor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a corrente rica em reagentes, introduzida pelo lado do casco no reator de troca de calor tipo casco e tubos, compreende uma corrente de gás de purga a partir de um circuito de síntese de amônia.