BRPI0513012B1 - Processo para o preparo de uréia - Google Patents

Description

PROCESSO PARA O PREPARO DE URÉIA A invenção se refere a um processo para o preparo de uréia a partir de amônia e dióxido de carbono em uma usina de uréia contendo uma seção de síntese de alta pressão e uma seção de recuperação de baixa pressão, a seção de síntese de alta pressão compreendendo um reator, um extrator e um condensador.

Usinas de uréia são projetadas para uma determinada capacidade. Como uma regra, somente até um ponto limitado é possível aumentar a capacidade de uma usina de uréia existente através de aumento das quantidades de materiais de iniciação e aumentando-se a produção das correntes de processo. Se é desejado aumentar a capacidade de uma usina através de aumento da produção das correntes de processo, então, deverá ser assegurado que boas eficácias são obtidas com as correntes de processo aumentadas nas várias etapas de processo. Isso se aplica, em particular, para as etapas de processo que são realizadas na parte de alta pressão da usina de uréia. A parte de alta pressão da usina de uréia consiste substancialmente de um reator no qual a solução de síntese de uréia é preparada, um extrator no qual a solução de síntese de uréia é extraída em contra-corrente com uma das matérias primas e/ou calor, um condensador no qual os gases liberados no extrator são condensados e, em determinados processos, um depurador no qual amônia e dióxido de carbono são removidos do gás de síntese.

Quando a capacidade aumenta, passagens estreitas nessa parte de alta pressão podem, em particular, ser o tratamento de extração da solução de síntese de uréia no extrator e a condensação, no condensador, dos gases obtidos na operação de extração. A razão para isso é que, se a carga de líquido da zona de extração é muito elevada, o efeito de extração é grandemente perdido em virtude, dentre outras coisas, de alagamento. Alagamento significa que o filme líquido dentro dos tubos no extrator é rompido e parte do líquido ê encerrada pela corrente de gãs existente. Isso reduz fortemente a eficácia de extração. O aumento nas quantidades de materiais de iniciação tem pouco efeito sobre a capacidade do reator. 0 menor tempo de residência resultante da maior produção tem, como uma conseqüência, que o teor de carbamato de amônio da solução de síntese de uréia aumenta um pouco, de modo que mais vapor é necessário no extrator para decomposição do carbamato de amônio. Portanto, é o extrator que ê o fator limitativo ao invés do reator.

Seria possível que o calor liberado pela condensação no condensador da mistura de gás obtida na operação de extração fosse convertido em vapor utilizável usando a área de troca de calor existente, também na alimentação de mistura de gás aumentada. Vapor utilizável deve ser compreendido como vapor saturado tendo uma pressão suficientemente alta para uso na(s) seção(ôes) de recuperação e concentração da usina de uréia. Descobriu-se, contudo, que uma alimentação aumentada de gás a ser condensado, causada pelo aumento da capacidade, resulta em uma pressão de vapor muito baixa, como uma conseqüência do que esse vapor não pode mais ser usado para as finalidades mencionadas acima dentro do processo de uréia.

As referidas passagens estreitas são grandemente a causa de que somente até um ponto limitado é possível expandir a capacidade de uma usina existente sem modificação ou substituição de equipamento de alta pressão caro. 0 NL-A-8900152 e WO 02/090323 divulgam processos para o preparo de uréia nos quais é possível aumentar a capacidade de operação de uma usina de uréia de acordo com um processo de extração sem modificações sendo requeridas na parte de alta pressão da síntese de uréia.

Isso é obtido preparando-se uréia de acordo com um processo no qual uma solução de síntese de uréia é formada a partir de dióxido de carbono e amônia em um reator, com uma parte da solução de síntese de uréia sendo transferida para uma zona de tratamento de média pressão. Nessa zona de tratamento de média pressão, essa solução de síntese de uréia é contatada com uma quantidade de dióxido de carbono. A mistura gasosa formada nessa zona de tratamento em meia pressão é subseqüentemente condensada de média pressão em uma zona de condensação de média pressão. No NL-A-8900152, a solução de sintase de uréia residual que deixa a zona de tratamento de média pressão é transferida para uma seção de recuperação de baixa pressão, onde o carbamato de amônia ainda presente é grandemente decomposto e a mistura gasosa formada é separada. No WO-02/090323, a solução de sintase de uréia residual é transferida para o depurador de alta pressão.

Uma deficiência dos processos acima é que a seção de média pressão que é adicionada seria razoavelmente grande para obter uma extensão da capacidade da usina de uréia de 25-40%. Em ambos os casos, a seção de média pressão compreende um dissociador, um extrator e um condensador. O objetivo da invenção é obter a expansão da capacidade da usina de uréia sem ter de modificar a parte de alta pressão da usina de uréia e com um design mais simples da seção de média pressão.

Surpreendentemente, verificou-se agora ser possível aumentar a capacidade de uma usina de uréia sem quaisquer modificações sendo requeridas na seção de alta pressão da usina de uréia e com a seção de média pressão compreendendo apenas um ou dois itens de equipamento. A invenção é caracterizada pelo fato de que os gases que deixam a seção de síntese de alta pressão são condensados em um condensador de média pressão a 0,5-12 MPa, ao qual também uma corrente de carbamato de uma das seções de recuperação é fornecida, após o que pelo menos uma parte do condensado formado é fornecido ao condensador de alta pressão.

Essa é a forma de assegurar que a capacidade de condensação na usina de uréia é elevada sem que o condensador de alta pressão tenha de ser ampliado, como um resultado do que um aumento de 20-40% na capacidade pode ser obtido. Uma segunda vantagem é que, em virtude do uso de carbamato de uma das seções de recuperação durante a condensação de média pressão, nenhuma água adicional é fornecida à seção de alta pressão, de modo que a conversão de uréia no reator é comparável com a conversão no reator antes de aumento da capacidade. Uma terceira vantagem é que, uma vez que a seção de média pressão contém apenas o condensador de média pressão, o investimento requerido para extensão da capacidade da usina é baixo. Uma quarta vantagem é que a instalação do condensador de média pressão torna possível controlar a pressão de vapor do vapor de baixa pressão formado no condensador de alta pressão em qualquer nível desejado. Isso é importante, uma vez que uma determinada pressão de vapor mínima é necessária para ser capaz de usar esse vapor na(s) seção(ões) de menor pressão na usina de uréia. A invenção se refere a um processo para o preparo de uréia a partir de amônia e dióxido de carbono em uma usina de uréia que contém uma seção de síntese de alta pressão e uma ou mais seções de recuperação operando em menor pressão. A seção de alta pressão usualmente opera em uma pressão entre 12 e 40 MPa. Uma usina de uréia normalmente compreende, em qualquer caso, uma seção de recuperação operando em baixa pressão, essa sendo uma pressão entre 0,1 e 0,4 MPa. Em algumas modalidades, a usina de uréia também compreende uma seção de recuperação de média pressão em uma pressão entre 0,5 e 4 MPa. A seção de síntese de alta pressão compreende um reator, um extrator, um condensador e opcionalmente um depurador. Um depurador de alta pressão está, por exemplo, presente se o preparo de uréia ocorre de acordo com o processo de extração de C02 ou o processo ACES21.

Uréia pode ser preparada através de introdução de amônia em excesso junto com dióxido de carbono em um reator de alta pressão e temperatura elevada (por exemplo, 160-250 °C) , o que primeiro resulta na formação de carbamato de amônio de acordo com a reação: 2NH3 + C02 H2N-CO-ONH4 Desidratação do carbamato de amônio formado, então, resulta na formação de uréia de acordo com a reação de equilíbrio: H2N-CO-ONH4 «-> h2n-co-nh2 + H20 A conversão máxima teórica de amônia e dióxido de carbono em uréia é determinada pela posição termodinâmica do equilíbrio e depende, por exemplo, da proporção de NH3/CO2 (proporção N/C), da proporção de H20/C02 (proporção H/C) e da temperatura. A partir das equações de reação acima, pode ser deduzido que o uso de um excesso de água no reator tem um efeito negativo sobre a conversão máxima teórica. 0 reator pode consistir de zonas distintas para a formação de carbamato de amônio e uréia. Essas zonas podem ser combinadas em um aparelho. A síntese pode ser realizada em um ou dois reatores. Quando uso é feito de dois reatores, o primeiro reator pode, por exemplo, ser operado usando virtualmente matérias primas frescas e o segundo usando matérias primas que são obtidas total ou parcialmente em qualquer parte no processo que são recicladas ao reator. A conversão de carbamato de amônio em uréia e água no reator pode ser realizada assegurando um tempo de residência suficientemente longo da mistura de reação nessa zona. 0 tempo de residência geralmente será maior do que 10 minutos, de preferência maior do que 20 minutos. 0 tempo de residência geralmente será menor do que 3 horas, de preferência menor do que 1 hora.

Durante a conversão de amônia e dióxido de carbono em uréia no reator, uma solução de síntese de uréia é obtida como um produto da reação o qual consiste essencialmente de uréia, água, carbamato de amônio e amônia não ligada. Além de uma solução de síntese de uréia, no reator também uma mistura gasosa de amônia não convertida e dióxido de carbono junto com gases inertes pode ser formada, o assim denominado gás de síntese. Os gases inertes presentes no gás de síntese, como uma regra, se originam de um suprimento de ar para a usina, a finalidade do qual é melhorar a resistência â corrosão da usina. Antes que o gás de síntese seja ventilado para a atmosfera, amônia e dióxido de carbono podem ser removidos da mesma em um depurador. Essa amônia e dióxido de carbono são, de preferência, retornados para o reator via o condensador de alta pressão. A solução de síntese de uréia é enviada ao extrator, onde a solução de síntese de uréia é extraída na contra-corrente com uma das matérias primas (C02 ou NH3) e/ou calor. No condensador, os gases liberador no extrator são, então, condensador na corrente de carbamato a partir do depurador e retornados para o reator, opcionalmente fazendo uso de um ejetor. Como condensador, uso pode ser feito de um condensador de queda de filme ou um condensador submerso, conforme descrito no NL-A-8400839. O condensador submerso pode ser colocado horizontal ou verticalmente.

Também é possível usar um assim denominado reator combinado, o qual combina as funções de reator e condensador.

De acordo com a invenção, os gases que deixam a seção de síntese de alta pressão são condensados em um condensador de média pressão em uma pressão de 0,5-12 MPa. A pressão no condensador de média pressão é, de preferência, 1-7 MPa.

Os gases que deixam a seção de síntese de alta pressão podem se originar do reator e/ou do extrator. O condensador de média pressão também recebe uma corrente de carbamato. Essa corrente de carbamato se origina da seção de recuperação de média pressão ou da seção de recuperação de baixa pressão da usina de uréia. É desejável que a pressão da corrente de carbamato fornecida da seção de recuperação seja menor do que a pressão no condensador de média pressão, como um resultado do que esse carbamato tem uma determinada capacidade de absorção de amônia e dióxido de carbono. Essa capacidade de absorção é maior quando o carbamato se origina de uma menor pressão.

Por essa razão, a corrente de carbamato é, de preferência, fornecida da seção de recuperação de baixa pressão, No condensador de média pressão, a amônia e dióxido de carbono ainda presentes nos gases de exaustão da seção de síntese de alta pressão são condensados e subseqüentemente pelo menos uma parte do condensado formado é fornecida ao condensador de alta pressão. Uma parte do condensado formado também pode ser retornada para o reator de alta pressão. De preferência, o condensado formado é alimentado em sua totalidade ao condensador de alta pressão, Se a seção de síntese de alta pressão compreende um depurador, pelo menos uma parte dos gases deixa a seção de síntese de alta pressão via o depurador de alta pressão.

Esses gases podem ser condensados no condensador de média pressão. Quando a seção de síntese de alta pressão compreende um depurador, pelo menos uma parte do condensado formado é alimentada no depurador de alta pressão e a partir dele no condensador de alta pressão. 0 condensado formado pode, também, em parte, ser retornado para o condensador de alta pressão e/ou reator de alta pressão.

Preferivelmente, o condensado formado é alimentado, em sua totalidade, ao depurador de alta pressão. 0 carbamato no condensado formado pode se cristalizar.

Isso depende, por exemplo, da pressão, da temperatura e da quantidade de água na corrente de carbamato. De preferência, a temperatura no condensador de média pressão, portanto, está entre 70 e 140 °C; mais preferivelmente entre 80 e 115 °C. A usina de uréia compreende, de preferência, uma seção de síntese de alta pressão e uma seção de recuperação de baixa pressão.

Também é possível, para remoção adicional de amônia e dióxido de carbono da corrente de gás de exaustão, absorver a corrente de gás que deixa o condensador de média pressão em um depurador de média pressão. Se um depurador de média pressão é usado, a corrente de carbamato não é fornecida para o condensador de média pressão, mas para o depurador de média pressão. O condensado formado é, então, descartado para o condensador de média pressão, onde ele ainda serve como solvente para a amônia e dióxido de carbono. Se o depurador de média pressão é operado virtualmente na mesma pressão que o condensador de média pressão, então, a corrente de carbamato pode fluir por gravidade do depurador de média pressão para o condensador de média pressão. Se o depurador de média pressão é operado em uma pressão menor do que o condensador de média pressão, então, uma bomba é necessária para transportar a corrente de carbamato do depurador de média pressão para o condensador de média pressão. A invenção também se refere a uma usina de uréia contendo uma seção de síntese de alta pressão e uma ou mais seções de recuperação; a seção de síntese de uréia compreendendo um reator, um extrator e um condensador, com a usina de uréia contendo um condensador de média pressão, o qual é conectado a uma saída de gãs da seção de síntese de alta pressão.

Se a seção de síntese de alta pressão da usina de uréia também compreende um depurador, o condensador de média pressão pode ser conectada à saída de gãs do depurador de alta pressão. O condensador de média pressão também pode ser conectado à saída de gás do extrator. A usina de uréia também pode conter um depurador de média pressão, o qual está conectado à saída de gás do condensador de média pressão. A invenção também se refere a um processo para otimização de uma usina de uréia que contém uma seção de síntese de alta pressão e uma ou mais seções de recuperação, a seção de síntese de alta pressão compreendendo um reator, um extrator, um condensador e opcionalmente um depurador, com um condensador de média pressão sendo adicionado à usina de uréia na qual gases originários da seção de síntese de alta pressão são condensados e a capacidade do extrator de alta pressão sendo aumentada. A capacidade do extrator de alta pressão pode, por exemplo, ser aumentada adicionalmente através de instalação de um extrator extra ou ampliando o extrator existente.

Durante a otimização, também um depurador de média pressão pode, adicionalmente, ser instalado no qual os gases originários do condensador de média pressão são absorvidos. A invenção será abaixo elucidada por meio de exemplos sem, contudo, estar restrita aos mesmos. A Figura 1 mostra uma representação em blocos de uma síntese de uréia de acordo com o estado da técnica (o processo de extração de C02 de Stamicarbon). Solução de síntese de uréia é fornecida ao extrator de alta pressão (ST) do reator de alta pressão (R) . Além disso, dióxido de carbono (g) é fornecido ao extrator de alta pressão. No extrator, carbamato não convertido é dissociado por meio de calor e dióxido de carbono como propelente para formar amônia e gás dióxido de carbono. 0 dióxido de carbono fornecido contém ar que é necessário para proteger os materiais na seção de síntese de alta pressão contra corrosão. A solução de uréia extraída (U) ê transportada para a subseqüente seção de recuperação de baixa pressão, onde purificação adicional ocorre. Os gases de exaustão do extrator de alta pressão são enviados para o condensador de alta pressão (HPCC), junto com a alimentação de amônia, via um ejetor de alta pressão (E) . No condensador de alta pressão, a reação de carbamato exotérmica de amônia e dióxido de carbono que proporciona carbamato de amônio ocorre. 0 calor liberado nessa reação é usado para gerar vapor saturado tendo uma pressão entre 0,4 e 0,5 MPa. A pressão na seção de sintase de alta pressão é controlada por meio do grau de condensação que ocorre no condensador de alta pressão. O carbamato formado e a amônia não reagido e o dióxido de carbono são enviados para o reator de alta pressão (R) onde a reação de uréia endotérmica ocorre. A corrente de gás de exaustão desse reator de alta pressão vai para o depurador de alta pressão (SC), onde pelo menos a maior parte da amônia e dióxido de carbono ainda presentes no gãs de exaustão é condensada por meio da água de resfriamento. A corrente de carbamato formada na seção de recuperação de baixa pressão (LP) é adicionado a esse depurador de alta pressão como solvente e/ou absorvente de forma a purificar a corrente inerte a partir de amônia e dióxido de carbono. No equipamento absorvente a jusante (A) operando em uma pressão significativamente menor do que a pressão de síntese, purificação adicional desses gases inertes ocorre. Como uma regra, condensado de amônia e água e/ou vapor é usado como absorvente nesse equipamento absorvente. 0 carbamato formado no depurador de alta pressão é extraído pelo ejetor de alta pressão (E) e transportado para o condensador de carbamato de alta pressão junto com a alimentação de amônia. A Figura 2 representa um processo para o preparo de uréia de acordo com a invenção. Aqui, também, a solução de síntese de uréia que deixa o reator (R) é fornecida ao extrator de alta pressão (ST). De uma forma similar conforme descrito na Figura 1, a solução de síntese de uréia no extrator de alta pressão ê purificada do carbamato não convertido. Os gases de exaustão desse extrator de alta pressão são fornecidos ao condensador de alta pressão (HPCC) , onde a reação de carbamato exotérmica ocorre. Em contraste ao processo de acordo com a Figura 1, a pressão do vapor saturado formado é agora controlada em um valor entre 0,35 e 0,55 MPa. O carbamato formado junto com a amônia não reagida e dióxido de carbono são enviados para o reator de alta pressão (R) para a conversão em uréia. 0 gás de exaustão desse reator de alta pressão contém mais amônia e dióxido de carbono do que de acordo com o processo no estado da técnica, conforme descrito na Figura 1, e é fornecido ao depurador de alta pressão (SC) . Nesse depurador, a amônia e dióxido de carbono são condensados por meio de água de resfriamento. Os gases de exaustão do depurador de alta pressão são dirigidos ao condensador de média pressão recentemente instalado (MPC). Nesse processo, a pressão na seção de síntese de alta pressão é controlada através de aumento ou diminuição da corrente de gãs de exaustão do depurador de alta pressão que é deixada passar através do condensador de média pressão. No condensador de média pressão, a amônia e dióxido de carbono na corrente inerte são condensados e o calor liberador é fornecido à água de resfriamento. A corrente de carbamato formada na seção de recuperação de baixa pressão (LP) ê usada como solvente e/ou absorvente. 0 condensado formado nesse condensador de média pressão é bombeado para o depurador de alta pressão (SC). Esse carbamato formado é usado como solvente e/ou absorvente no depurador de alta pressão. A corrente inerte que deixa o condensador de média pressão é purificada em um equipamento absorvente (A) de uma forma similar àquela de acordo com a Figura 1. O carbamato formado no depurador de alta pressão é extraído no ejetor de alta pressão (E) e transportado para o condensador de carbamato de alta pressão (HPCC) junto com a alimentação de amônia. A Figura 3 também representa um processo para o preparo de uréia de acordo com a invenção. A solução de síntese de uréia que deixa o reator (R) é fornecida ao extrator de alta pressão (ST). De uma forma similar conforme descrito para a Figura 1, a solução de síntese de uréia no extrator de alta pressão é purificada do carbamato não convertido. Os gases de exaustão desse extrator de alta pressão são parcialmente fornecidos ao condensador de alta pressão (HPCC) e parcialmente ao condensador de média pressão recentemente instalado (MPC). Em contraste com o processo de acordo com a Figura 1, a pressão do vapor saturado formado no HPCC é agora controlada em um valor entre 0,35 e 0,55 MPa, O carbamato formato junto com a amônia não reagida e dióxido de carbono são enviados para o reator de alta pressão (R) para a conversão em uréia. O gás de exaustão desse reator de alta pressão contém mais amônia e dióxido de carbono do que de acordo com o processo no estado da técnica, conforme descrito na Figura 1, e é fornecido ao depurador de alta pressão (SC). Nesse depurador, a amônia e dióxido de carbono são condensados por meio de água de resfriamento. Nesse processo, a pressão na seção de síntese de alta pressão é controlada através de aumento ou diminuição da corrente de gás de exaustão do extrator de alta pressão que é deixada passar através do condensador de média pressão. No condensador de média pressão, a amônia e dióxido de carbono são condensados e o calor liberado é fornecido à água de resfriamento. A corrente de carbamato formada na seção de recuperação de baixa pressão (LP) é usada como um solvente e/ou absorvente. O condensado formado nesse condensador de média pressão é bombeado parcialmente para o depurador de alta pressão (SC) e parcialmente para o condensador de alta pressão (HPCC). Esse carbamato formado é usado como solvente e/ou absorvente no depurador de alta pressão. Os gases de exaustão do depurador de alta pressão são purificados em um equipamento absorvente (A) que funciona de uma maneira similar ao equipamento absorvente de acordo com a Figura 1. 0 carbamato formado no depurador de alta pressão é extraído pelo ejetor de alta pressão (E) e transportado para o condensador de carbamato de alta pressão (HPCC) junto com a alimentação de amônia.

Claims (13)

1. Processo para o preparo de uréia a partir de amônia e dióxido de carbono em uma usina de uréia que contém uma seção de síntese de alta pressão e uma ou mais seções de recuperação em uma pressão menor, a seção de síntese de alta pressão compreendendo um reator, um extrator e um condensador caracterizado pelo fato de os gases que deixam a seção de síntese de alta pressão serem condensados em um condensador de média pressão a 0,5-12 MPa ao qual também uma corrente de carbamato de uma das seções de recuperação é fornecida, após o que pelo menos uma parte do condensado formado é fornecida ao depurador de alta pressão e ao condensador de alta pressão.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o condensado formado ser também parcialmente retornado ao condensador de alta pressão e/ou ao reator de alta pressão.

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o condensado formado ser fornecido em sua totalidade ao depurador de alta pressão.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a temperatura no condensador de média pressão estar entre 70 e 140 °C.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o carbamato fornecido ao condensador de média pressão vir da seção de recuperação de baixa pressão de uma usina de uréia.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de a usina de uréia compreender uma seção de síntese de alta pressão e uma seção de recuperação de baixa pressão.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de a corrente de gás que deixa o condensador de média pressão ser condensada em um depurador de média pressão em uma pressão de 0,5-12 MPa ao qual uma corrente de carbamato de uma das seções de recuperação de uma usina de uréia é fornecida, após o que pelo menos uma parte do condensado formado é fornecida ao condensador de média pressão.

8. Usina de uréia para a realização do processo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, contendo uma seção de síntese de alta pressão e uma ou mais seções de recuperação, a seção de síntese de alta pressão compreendendo um reator, um extrator e um condensador caracterizada pelo fato de a usina de uréia conter um condensador de média pressão o qual é conectado a uma saída de gás da seção de síntese de alta pressão.

9. Usina de uréia, de acordo com a reivindicação 8, na qual a seção de síntese de alta pressão também compreende um depurador caracterizada pelo fato de o condensador de média pressão ser conectado à saúde de gás do depurador de alta pressão.

10. Usina de uréia, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de a usina de uréia também conter um depurador de média pressão o qual é conectado à saída de gás do condensador de média pressão.

11. Processo para otimização de uma usina de uréia conforme definido em qualquer uma das reivindicações 8 a 10, que contém uma seção de síntese de alta pressão e uma ou mais seções de recuperação, a seção de síntese de alta pressão compreendendo um reator, um extrator, um condensador e opcionalmente um depurador, caracterizado pelo fato de um condensador de média pressão ser adicionado à usina de uréia no qual gases originários da seção de síntese de alta pressão são condensados e a capacidade do extrator de alta pressão é aumentada.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a capacidade do extrator de alta pressão ser aumentada adicionalmente através de instalação de um extrator extra.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de também um depurador de média pressão ser adicionalmente instalado no qual os gases do condensador de média pressão são absorvidos.