BRPI0520123B1 - reator tubular e instalação para a produção especialmente de sulfato de amônio e uréia - Google Patents

Abstract

reator tubular e planta para a produçao de especialmente sulfato de amônio e reia. reator tubular, especialmente para a produção de uas, compreendendo um corpo tubular (14) e uma cabeça de reator (1), em que a cabeça do reator tem meios (3,3a) para a injeção axial de ácido, meios (2,2a) para a injeção de amônia, meios (7) para o fornecimento de uréia e uma câmara reacional (zona 3a, 2a) onde o ácido e a amônia podem reagir antes de entrar em contato com a uréia.

Description

"REATOR TUBULAR E INSTALAÇÃO PARA A PRODUÇÃO ESPECIALMENTE DE SULFATO DE AMÔNIO E UREIA".

[0001] A invenção envolve o projeto de um reator tubular seletivo e uma planta para produzir várias misturas enfrentando um problema comum, como reagir preferencialmente um ácido e uma base dentro de um fluxo de um componente ou mistura de componentes sensíveis ao calor e/ou ácido sem os decompor, ou decompondo preferencialmente um dos componentes. Um reator que podería ser usado para a produção de sulfato de amônio e ureia (UAS) é de especial interesse.

[0002] Reatores tubulares para a produção de sais de amônio são, por exemplo, conhecidos a partir dos documentos US 2,568,901, US 2,755,176 e US 5,904,906. Esses reatores tornam possível reagir um ácido e uma base, mas eles não poderíam ser usados para uma reação onde um terceiro componente é introduzido.

[0003] A produção comercial de sulfato de amônio e ureia (UAS) atual é efetuada pela mistura física dos dois compostos por um processo de adição de sulfato de amônio sólido pulverizado a ureia fundida numa etapa de granulação, tal como num tambor ou caldeira, conforme descrito no documento US 3,785,796. Isso pode ser chamado de "via sólida". Ele aparenta ser um processo um tanto simples. Ele apresenta, entretanto, algumas sérias desvantagens tanto de um ponto de vista econômico quanto de processo.

[0004] A reação de síntese de sulfato de amônio (AS) em solução de ureia está descrita no documento US 3,928,015 como uma reação em duas etapas. Uma solução de bissulfato e amônia reage na solução de ureia para produzir essencialmente AS anidro misturado com ureia fundida num tipo de tanque simples e barato ou num reator do tipo tubular.

[0005] O bissulfato corresponde ao produto feito pela reação de um mol de ácido sulfúrico com um mol de amônia, enquanto que o sulfato de amônio corresponde ao produto feito pela reação de um mol de ácido sulfúrico com dois mols de amônia. A primeira amoniação de ácido sulfúrico (levando a bissulfato) é mais exotérmica do que a segunda.

[0006] Todavia, é um desafio efetuar a produção in situ de AS em solução de ureia, uma vez que o ácido prontamente reage com ureia, levando a perdas de ureia. Isso limita significativamente as vantagens de qualquer via líquida contra a via sólida para a produção de UAS, se as perdas são muito altas. O bissulfato é menos agressivo à ureia do que ao ácido sulfúrico. De acordo com o documento US 3,928,015, o bissulfato é sintetizado separadamente para minimizar a decomposição de ureia. Através disso, ele não tira total proveito do calor liberado pela primeira amoniação.

[0007] O objetivo da invenção é projetar um reator que torna possível reagir um ácido e uma base dentro de um fluxo de um componente sensível a calor e/ou ácido sem decompô-lo.

Outro objeto é projetar um reator adequado para a produção de UAS. Outro objetivo é projetar uma planta especialmente para a produção de UAS.

[0008] A invenção será ainda ilustrada com referência às figuras, onde: - a Figura 1 mostra um reator tubular com pré-reator, misturador e um separador (scrubber); e - a Figura 2 mostra um reator tubular transversal padrão.

[0009] A invenção, dessa forma, envolve um reator tubular especialmente para a produção de UAS, compreendendo um corpo tubular e uma cabeça de reator, em que a cabeça do reator tem meios para a injeção axial de ácido e meios para a injeção de amônia. A amônia pode estar livre e/ou ligada e/ou misturada. Além disso, ele tem meios para o fornecimento de ureia e uma câmara de reação onde as reações de ácido e amônia são acentuadas antes de entrar em contato com a ureia. O reator tubular também pode ser usado para reagir outro ácido e base com outro componente sensível ao calor e/ou ácido, ao invés de ureia.

[00010] É preferível que um pré-reator para pré-neutralizar o ácido esteja disposto à montante da cabeça do reator. O pré-reator podería ser um reator tubular ou um tanque neutralizador. Preferivelmente, o pré-reator é parte do reator tubular principal e tem uma entrada para amônia ou outra base. A amônia pode estar livre e/ou ligada e/ou misturada. Um misturador para diluição de ácido podería ser disposto à montante da cabeça do reator. É preferível que a cabeça do reator tenha uma extremidade convergente e à jusante. Os meios de injeção de amônia ou outra base incluem uma entrada correspondente com uma câmara anular ao redor do injetor de ácido. A entrada é preferivelmente tangencial. A câmara anular tem um cone ou uma extremidade aberta na sua extremidade à jusante. Os meios para o fornecimento de ureia ou outro componente sensível compreendem uma entrada e uma câmara anular ao redor do injetor de amônia ou outra base.

[00011] A invenção também envolve uma planta para a produção de sulfato de amônio e ureia com um reator tubular compreendendo um corpo tubular e uma cabeça de reator, em que a cabeça do reator tem meios para a injeção axial de ácido, meios para a injeção de amônia, meios para o fornecimento de ureia e uma câmara reacional onde ácido e amônia podem reagir antes de entrar em contato com a ureia, um separador para separar o vapor produzido da lama de UAS e meios para receber o vapor. A amônia pode estar livre e/ou ligada e/ou misturada.

[00012] É preferível que a cabeça do reator seja precedida por um pré-reator, o qual tenha meios para efetuar a injeção de amônia, meios para o fornecimento de ácido e uma câmara reacional. Um misturador para diluição do ácido pode ser posicionado à montante da cabeça do reator. 0 meio para receber o vapor é preferivelmente um separador (scrubber) que podería ser projetado em dois estágios distintos. 0 separador (scrubber) preferivelmente possui um meio para reciclar a solução do separador (scrubber) para a entrada de ureia 7 e/ou para o injetor de ácido. Um tanque de flash podería vir depois do separador. A produção de sulfato de ureia e amônio é preferivelmente um processo final de uma planta de ureia.

[00013] A descrição completa apresentada aqui abaixo é baseada na produção de sulfato de amônio e ureia (UAS), isto é, uma mistura de ureia e sulfato de amônio. A ureia é sensível tanto ao calor quanto à ação do ácido sulfúrico. O sulfato de amônio é produzido dentro da solução de ureia pela reação de ácido sulfúrico com amônia e pela preservação, de tanto quanto for possível, do componente de ureia de degradação proibitiva.

[00014] Entretanto, os mesmos princípios e conceitos equivalentes podem ser usados para várias outras misturas, em qualquer caso em que tal síntese in situ seja de maior interesse do que uma síntese diferenciada seguida de uma simples etapa de mistura.

[00015] Existem muitas vantagens na síntese in situ. Um reator tubular é muito fácil de operar, de dar partida e de desligar. O calor da síntese de sulfato de amônio (AS) permite a evaporação de água a partir da solução de ureia, dessa forma, a etapa de evaporação, assim como as utilidades (especialmente vapor) podem ser preservadas. A síntese in situ produz cristais muito finos de AS, especialmente adequados para o processo de granulação seguinte e resulta num produto mais homogêneo do que o obtido pela via sólida. Finalmente, a implementação da síntese de UAS in situ numa planta de ureia de reciclagem total ou parcial permite o aumento da capacidade de ureia significativamente.

Descrição do processo - produção in situ de UAS

[00016] A produção in situ de UAS é especialmente interessante como um processo final de uma planta de ureia.

[00017] Os componentes e reagentes são introduzidos num reator tubular. O fluxo que sai do reator é descarregado num separador para separar o vapor produzido a partir da lama de UAS. A lama pode ser diretamente ou ainda passada num flash sob vácuo para obter o conteúdo de água correto para o processo de granulação seguinte visto que o vapor é separado com ácido antes de ser, por exemplo, condensado.

[00018] A solução de separação do separador de vapor e a solução de separação da seção de granulação são recicladas para a entrada da seção de reação ou usadas para algum outro propósito para fora dos limites das baterias (BL) (o limite do processo considerado).

[00019] Quatro componentes são necessários no reator tubular, ácido sulfúrico (livre ou pré-neutralizado como bissulfato de amônio) , amônia (livre ou ligada como carbamato) , ureia e água (BL e/ou solução de separação, além da água contida nas matérias primas, ácido, amônia e ureia).

[00020] 0 ácido sulfúrico reage com amônia para formar AS dentro da solução de ureia e o calor liberado pela síntese evapora a água na forma de vapor.

[00021] Certa guantidade de ureia se decompõe devido ao calor e ácido presente, e é ou polimerizada em biureto e outros compostos, ou hidrolisada em dióxido de carbono e amônia. Tal amônia é neutralizada por ácido sulfúrico e é, portanto, considerada no balanço de massa para obter no final a proporção correta de N-NH3 para N-ureia no produto final.

[00022] Água é adicionada ao reator para eguilibrar o balanço calor/água de acordo com a guantidade de AS sintetizado, a concentração da solução de ureia alimentada no reator tubular, o conteúdo de água final desejado e a quantidade de solução de separação a ser reciclada.

[00023] O reator tubular descarrega num tanque separador para o vapor do processo se separar da solução de UAS.

[00024] Para limitar a alta temperatura, a qual aumenta a decomposição indesejada de ureia, assim como para alcançar o conteúdo de água correto para a solução ser, por exemplo, pulverizada num granulador de leito fluidizado (tipicamente ~2 a 5% de água) , a solução de UAS passa pelo flash preferivelmente sob vácuo.

[00025] Esse flash pode ser diretamente efetuado no separador do reator tubular ou num segundo vaso, chamado tanque de flash. O uso de tal tanque de flash evita o sobreprojeto do sistema de vácuo (condensador e extração de não-condensáveis), mas requer a duplicação do separador de vapor do processo e do sistema de condensação, no caso do vapor do separador ser condensado. Portanto, essa configuração de um separador mais um tanque de flash tem que ser estudada caso a caso, e é de qualquer maneira muito recomendável no caso de plantas de alta capacidade e de plantas de consumo de ureia sem gás amônia com envolvimento de um grande quantidade de não-condensáveis (tal como CO2 liberado pela decomposição do carbamato).

[00026] O vapor produzido no reator e separado no separador contém principalmente vapor, mas também certa quantidade de amônia não-reagida, dióxido de carbono, certa quantidade de ar, assim como gotas de solução de UAS.

[00027] Vários não-condensáveis (NOx, SOx, ...) podem estar presentes em quantidades desprezíveis, dependendo da qualidade dos participantes, não significativamente criados no reator.

[00028] O separador (scrubber) é um separador (scrubber) úmido. AS gotas de solução são capturadas dentro da solução de separação. O separador (scrubber) é parcialmente acidifiçado com ácido sulfúrico, para também parar a amônia.

[00029] O separador (scrubber) é preferivelmente projetado em dois estágios distintos: no primeiro, as gotas de ureia são paradas por uma solução de separação completamente neutra, enquanto que a segunda etapa é ácida para capturar a amônia. Isso evita o aumento da degradação de ureia pela severa acidificação de uma solução de separação contendo ureia.

[00030] Se o separador (scrubber) é projetado em dois estágios, então a solução de separação do segundo estágio é preferivelmente sistematicamente reciclada para a linha de ácido sulfúrico alimentando o reator, porque essa solução é quase livre de ureia. As soluções de separação contendo ureia do primeiro estágio preferivelmente não devem ser recicladas diretamente em ácido sulfúrico para evitar uma alta taxa de degradação de ureia. Essa solução pode ser misturada com a solução de separação da seção de granulação e enviada para a solução de ureia que alimenta o reator tubular. Alternativamente, ela pode ser reciclada para a seção de concentração de ureia, ser exportada ou ser usada como água de composição no separador (scrubber) da seção de granulação.

Descrição do reator tubular [00031] Um reator tubular é caracterizado por uma forte e curta turbulência para misturar os reagentes, deixá-los entrar em contato e reagir imediatamente. 0 tempo de residência geralmente não precisa ser mais longo do que 0,2 segundos em tal equipamento.

[00032] O projeto deve permitir que os reagentes reajam seletivamente sem decompor a ureia, e evitar que o ácido ou qualquer outro componente possa atacar o material do reator tubular. Portanto, o ácido é introduzido no eixo do reator e a turbulência inicial melhorada de forma que a reação se inicie imediatamente.

[00033] Uma reação rápida minimiza o risco de que gotas de ácido livre entrem em contato com a parede do reator tubular, corroendo o aço, ou criando pontos quentes capazes de danificar, por exemplo, um revestimento interno de Teflon.

[00034] Para aumentar a turbulência inicial, a amônia é preferivelmente introduzida como um gás. Sua velocidade é alta e tangencial â pulverização do ácido, para melhorar sua atomização e aumentar a turbulência inicial.

[00035] Para limitar as perdas de ureia, uma pessoa deve, sempre que possível, abrandar o ácido aumentando o contato entre ácido e amônia ao invés de com ureia, pré-neutralizar, caso seja possível, o ácido em bissulfato de amônio, que é muito menos agressivo â ureia, manter a temperatura a mais baixa possível, isto é, manter a queda de pressão tão baixa quanto possível enquanto mantém um alto grau de turbulência.

[00036] Para ser eficiente, um reator tubular bem projetado requer uma alta turbulência, deste modo, uma queda de pressão. Se o reator for subcarregado (significa que ele tem um baixo fluxo por unidade de seção do reator), sua eficiência diminui rapidamente. No caso de UAS, isso significa perdas maiores de ureia e perdas maiores de amônia a serem capturadas no separador (scrubber).

[00037] Ao contrário, se a capacidade de um reator bem carregado (veja agui acima) for levemente aumentada, então sua eficiência é melhorada e a queda de pressão é simplesmente mais alta. Entretanto, isso também resulta no aumento de temperatura no reator, o qual pode ser danoso para o material do reator assim como alguns componentes, tal como ureia, no caso da produção in situ de UAS.

[00038] Um reator tubular é, portanto, idealmente projetado para uma dada faixa de capacidades, preferivelmente de 80 a 110% de capacidade.

[00039] Um reator tubular de UAS compreende várias partes dependentes do processo e das matérias-primas a serem usadas. Isso será ainda descrito com referência â Figura 1.

[00040] A Figura 1 mostra um reator tubular compreendendo um pré-misturador, um pré-reator, uma cabeça de reator e um corpo reator. A cabeça do reator e o corpo do reator são compulsórios em todas as variações do reator, enquanto que o uso de um pré-misturador e de um pré-reator será dependente das condições do processo.

[00041] A cabeça 1 do reator compreende uma câmara reacional. Essa é a zona compreendida entre a extremidade do cone de ácido 3A e a extremidade do cone de amônia 2A, onde amônia e ácido entram em contato e reagem. A cabeça é tubular com um convergente IA e sua extremidade à jusante. Ela tem um injetor ácido axial 3, 3A. A amônia é introduzida tangencialmente através da entrada 8 num injetor de amônia 2 formando uma primeira câmara anular ao redor do injetor de ácido. 0 injetor de amônia tem um cone 2A em sua extremidade à jusante. A ureia é fornecida através de uma entrada 7 para uma segunda câmara anular ao redor do injetor de amônia. 0 corpo 14 do reator é o comprimento reto do reator à jusante do convergente IA.

[00042] Em alguns casos, conforme explicado agui em seguida, o ácido pode ser parcialmente neutralizado por certa guantidade de amônia antes de qualquer introdução de ureia, num reator separado chamado de pré-reator. 0 pré-reator é colocado à montante da cabeça do reator 1 e tem uma entrada 9 para amônia para uma câmara anular ao redor do fornecimento de ácido axial onde o injetor ácido 4 tem uma extremidade cônica 4A.

[00043] 0 pré-misturador 12 é colocado à montante do pré-reator e pode ser usado na linha de ácido sulfúrico para diluir o ácido com água 13 ou com solução de separação 11.

[00044] A figura 1 também ilustra a separação em dois estágios onde o primeiro estágio SI é a captura de ureia e o segundo estágio S2 é acidificação 6 para capturar amônia.

Projeto otimizado do reator tubular de UAS

[00045] O projeto de um reator tubular de UAS pode ser otimizado de acordo com o balanço de amônia, respeitando o balanço de água da planta e otimizando o balanço de energia. Balanço de amônia [00046] Dois casos tem que ser considerados para o projeto do reator tubular: - Caso A: a amônia tem que ser parcialmente ou totalmente alimentada no processo além da solução de ureia para alcançar o grau de UAS requerido. - Caso B: a solução de ureia contém quantidade suficiente de amônia na forma de carbamato ou de amônia livre para alcançar o grau de UAS requerido.

Balanço de água [00047] O balanço de água é principalmente função: - do conteúdo de água na solução de ureia alimentada no reator tubular, - do calor de reação; - da proporção entre o AS sintetizado no reator e o AS sintetizado no separador de vapor (ver aqui abaixo); - do vácuo aplicado no tanque de flash; e - da reciclagem das soluções de separação.

Balanço de energia [00048] A energia liberada no reator tubular pela síntese permite a evaporação de mais água, que torna possível trabalhar com uma solução de ureia menos concentrada alimentada ao reator tubular, o que é favorável de um ponto de vista energético.

[00049] Ao contrário, a energia, liberada pela reação no separador de vapor, não contribui para a concentração da solução de UAS, mas requer água de composição adicional para o separador.

[00050] Quanto mais AS é sintetizado no reator ao invés de no separador, melhor é o balanço de energia, assim como o balanço de água.

Caso A - amônia é fornecida separadamente da ureia, completamente ou parcialmente [00051] Quando amônia está sendo parcialmente ou completamente fornecida separadamente, é possível aumentar o contato do ácido com a amônia antes dele entrar em contato com a ureia.

[00052] O excesso na proporção molar de amônia em relação ao ácido sulfúrico no reator tubular é tipicamente fixado em 2%, principalmente para compensar as variações de fluxo devido às flutuações das válvulas de controle.

[00053] Amônia gasosa, tal como alimentada no reator, é mais preferida do que amônia líquida. O fluxo volumétrico é muito maior, dessa forma a turbulência inicial e o início da reação.

[00054] Portanto, se amônia estiver disponível nos limites das baterias sob a forma liquida, ela é preferivelmente evaporada num trocador de calor usado para, por exemplo, condicionar certa quantidade de ar na planta, tipicamente na seção de resfriamento do produto final. Amônia pode ser então, pré-aquecida, usando, por exemplo, o vapor do processo produzido no reator tubular.

[00055] Amônia também pode ser fornecida dentro de uma mistura de gases, tipicamente uma mistura de amônia, dióxido de carbono e vapor de água vindos da retirada (stripping) de carbamato no processo de ureia à montante ou nos gases livres de amônia. Em tal caso, vapor de água e dióxido de carbono agem como compostos inertes. Eles melhoram a turbulência no reator, dessa forma melhoram levemente a sua eficiência.

[00056] O caso A pode ser dividido por si só em dois casos, detalhados mais tarde em: - ou a água trazida pela solução de ureia e por soluções de separação contendo ureia concentrada, permite a absorção da maior parte do calor liberado pela síntese in situ (caso Al). - ou, ao contrário, tal água não é suficiente (caso A2) e água extra tem que ser adicionada.

[00057] O caso A2 pode especialmente ocorrer para altas proporções de sulfato de amônio (AS) em relação à ureia, e em tal caso um pré-reator de bissulfato é preferivelmente adicionado, embora não seja adequado no caso Al.

Caso B - amônia é fornecida dentro da solução de uréia, na forma de carbamato e amônia [00058] A fonte de amônia sendo completamente misturada na solução de ureia, o ácido sulfúrico pode encontrar tanto uma fonte de ureia quanto de amônia para reagir. 0 risco de decomposição de ureia é alto. Um meio alcalino é favorável para impedir que a ureia se decomponha e as condições de operação são fixadas de acordo: o excesso de amônia na proporção molar é mais alto do que no caso A (tipicamente de 5 a 20%).

[00059] Essa alcalinidade, combinada com o próprio projeto do reator, reduz as perdas de ureia. Em tal caso, a solução de separação do separador de vapor (a partir do segundo estágio caso ureia e amônia sejam depuradas separadamente) é preferivelmente reciclada para o ácido sulfúrico em linha, equipado, por exemplo, com um misturador estático para deixar a mistura mais homogênea e evitar pontos quentes. Isso permite a introdução de um ácido mais suave no reator tubular de UAS, uma vez que de um lado ele foi diluído com certa quantidade de água, em segundo o sulfato de amônio da solução de separação é convertido em bissulfato de amônio, menos agressivo à ureia do que o próprio ácido sulfúrico. Entretanto, mais ácido tem que ser alimentado no separador de vapor, o qual se torna um segundo reator.

Descrição dos Reatores Tabela 1 [00060] A cabeça e o corpo do reator são comuns aos diferentes casos, enquanto que a primeira parte do reator varia.

Corpo do reator [00061] O projeto do corpo é o· mesmo tanto no caso A quanto no caso B. Ele é uma peça reta tubular, definida por seu diâmetro e seu comprimento. O comprimento do reator tubular é projetado para proporcionar tempo suficiente para os reagentes terem a chance de se encontrar e reagir, enquanto que o diâmetro do reator é equivalente a um certo grau de turbulência, dessa forma misturando e melhorando a eficiência.

[00062] No caso de UAS, o fluxo de calor (considerando o calor liberado pela reação química) deve ser maior do que 5,000 Kcal/h/cm2 (5,815 x 10“ W/m2) e menor do que 150.000 Kcal/h/cm2 (1, 744 x 10! 1 W/m2) , preferivelmente entre 25,000 (2,907 x 10B W/m2) e 90.000 Kcal/h/cm2 ( 1, 047 x 10' W/m2), e o tempo de residência deve ser menor do que 1 s, preferivelmente menor do que G,2s.

[00063] Se o fluxo de calor for muito baixo, então o contato entre os reagentes é fraco, amônia é perdida e tem que ser neutralizada num separador de vapor, enquanto que o ácido que permanece na solução de ureia degrada certa quantidade de ureia.

[00064] Se o tempo de residência for muito longo, então dois casos têm que ser considerados, de acordo com a carga do reator: - se o tempo de residência for muito longo devido ao fato do reator estar subcarregado, então a ureia é decomposta devido à fraca turbulência conforme aqui descrito acima; e - se o reator for bem carregado, mas ele for muito longo, um tempo de residência extra tem um efeito negativo, uma vez que ele cria uma queda de pressão desnecessária, consequentemente uma temperatura mais alta na primeira parte do reator, levando a perdas de ureia.

[00065] Para manter a temperatura no reator num nível razoável enquanto se permite uma queda de pressão suficiente para uma mistura eficiente, a queda de pressão deve ser mais alta do que 5xl04 Pa, preferivelmente mais alta do que 105 Pa, e a pressão de retorno para o reator, por exemplo, a pressão de amônia depois de sua válvula de controle exatamente antes de entrar no reator, deve preferivelmente permanecer menor do que 106 Pa, preferivelmente menor do que 5xl05 Pa.

A cabeça do reator de UAS

[00066] O esquema da cabeça do reator de UAS tem que atender às sequintes questões.

[00067] A ureia é sensível à decomposição, mas a ureia carreia a maior parte de água que permite o controle da temperatura. Em alguns casos, a ureia também carreia a base para ser neutralizada, por exemplo, uma solução de ureia-carbamato.

[00068] A cabeça, portanto, tem que ser projetada para aumentar o contato entre os reagentes ao invés de entre a ureia e o ácido não-reagido, e de qualquer forma é aconselhável suavizar o ácido antes do contato com a ureia. Além disso, o contato de gotas de ácido com a parede do reator tem que ser evitado.

[00069] Por todas essas razões, a cabeça do reator tubular de UAS deve ser projetada para aumentar a turbulência e o contato imediato, para obter uma mistura profunda e neutralizada. Qualquer ácido permanecendo não-neutralizado numa veia de ácido livre ou qualquer gota de ácido livre tem um efeito negativo na eficiência do reato tubular e na decomposição de ureia. A turbulência inicial está ligada à forma de introduzir os reagentes, e é ainda melhorada pelo calor da reação, causando evaporação de água, dessa forma com mistura e turbulência adicional.

[00070] Em ambos os casos A e B, o princípio da cabeça do reator é semelhante: centralmente o ácido, diretamente ou a partir do pré-misturador ou através do pré-reator, ao redor dele como um primeiro anel pode estar uma fonte de amônia quando aplicável, e como um fluxo anular externo, o fluxo contendo ureia.

[00071] 0 ácido é introduzido no eixo do corpo do reator. Ele é injetado centralmente por um injetor 4; 4A com preferivelmente um bocal 4A em sua extremidade, no caso de um pré-reator, ou diretamente através do injetor 3/3A com preferivelmente um bocal 3A na sua extremidade. Esse é tipicamente um cone simples para pulverizar o fluxo e, portanto, melhorar a área de contato entre os reagentes, conseqüentemente a velocidade de reação.

[00072] 0 ácido pode ser ácido sulfúrico, ou ácido sulfúrico diluído, ou ácido sulfúrico pré-neutralizado, isto é, uma mistura de ácido sulfúrico, bissulfato de amônio, etc. Ele é normalmente líquido, mas pode conter alguns vapores, por exemplo, se for um pré-reator conforme descrito daqui por diante.

[00073] Além disso, o ácido tem que ser abrandado o tanto quanto for possível antes de entrar na cabeça do reator de UAS. A melhor maneira de abrandar o ácido antes de entrar em contato com a ureia podería ser neutralizá-lo completamente em sulfato de amônio. Entretanto, a completa amoniação do ácido sulfúrico antes de entrar em contato com a ureia não é possível.

[00074] As razões são: - Primeiro porque uma solução de sulfato de amônio precisa de um conteúdo de água mais elevado para ser fluida, dessa forma a síntese de sulfato de amônio seguida pela mistura com ureia não permite alcançar o balanço de água, para alcançar o correto conteúdo de água na saída do reator, - Segundo porque a síntese de sulfato de amônio é fortemente exotérmica. Água para absorver tal calor de reação, permitindo a manutenção da temperatura sob limites aceitáveis, está geralmente contida na sua maior parte na solução de ureia. A síntese e a mistura têm, portanto, que ser efetuadas quase que simultaneamente, e o sulfato de amônio (AS) ainda não pode ser completamente sintetizado quando o fluxo de reagentes entra na ureia; e - Terceiro porque a amônia a ser neutralizada (amônia livre e/ou carbamato) está, algumas vezes, já contida no fluxo de ureia, significando que o sulfato de amônio tem que ser sintetizado profundamente dentro do fluxo de ureia e não pode ser sintetizado antes de entrar em contato com a ureia.

Esquema do reator e princípio para o Caso Al [00075] Nesse caso, o primeiro anel ao redor do injetor de ácido central [zona entre 2 e 3] é alimentado com o fluxo de amônia 8, por exemplo, amônia gasosa ou solução de carbamato.

[00076] Graças ao projeto do injetor de amônia 2; 2A, o ácido é pulverizado numa área sem ureia na câmara reacional [entre 3A e 2A] . O projeto dessa câmara confere ao reator uma aparência de duplo cone: um primeiro cone 3A (ou um bocal) no ácido, um segundo cone 2A na amônia, mais um convergente IA na ureia.

[00077] Uma grande quantidade de calor é liberada naquela câmara reacional. Ela tem, portanto, que estar completamente aberta de forma que as gotas reacionais sejam carregadas para fora da câmara para o fluxo de ureia, o qual absorve o calor. De uma forma, o ácido encontra uma cortina de amônia antes do contato com a ureia.

[00078] O ponto de contato com a ureia é especialmente turbulento [zona entre IA e 2A] para dissipar o calor e misturar homogeneamente os produtos; dessa forma, a mistura reativa é preferivelmente pulverizada para fora da câmara reacional no convergente IA para o corpo do reator 14, onde os diferentes fluidos convergem, aumentando a turbulência.

[00079] O ângulo de convergência IA é tipico da física hidrodinâmica, preferivelmente um ângulo de abertura entre 30 e 90° para evitar mistura de refluxo local, mas para melhorar a circulação no corpo do reator.

[00080] O diâmetro de saída do cone 2A é preferivelmente menor ou igual ao diâmetro do corpo do reator IA, para evitar quaisquer pontos quentes na parede do reator, especialmente na seção de convergência. Entretanto, o cone 2A também pode ser completamente aberto, isto é, sendo substituído por uma porção linear do injetor 2.

[00081] O projeto da câmara reacional, 2A/3A, pode ser fortemente inspirado a partir do projeto de bocais pneumáticos de ar.

[00082] 0 ácido não-reagido nesse estágio reage ao longo do corpo do reator 14, principalmente com amônia, também com certa quantidade de ureia que é decomposta.

[00083] As soluções de separação são recicladas onde quer que seja conveniente. Se elas contêm ureia, elas são preferivelmente recicladas no fluxo de ureia. Se elas não contêm ureia ou somente uma pequena quantidade de ureia, por exemplo, se um segundo estágio do processo de depuração do vapor existir [S2] , elas são preferivelmente recicladas para o ácido sulfúrico em linha.

Caso A2 [00084] No caso da síntese de sulfato de amônio liberar mais calor do que o fluxo de ureia pode aceitar devido ao seu conteúdo de água, então certa quantidade de água extra deve ser adicionada além daquela contida na solução de ureia, e isso torna interessante o uso de um pré-reator.

[00085] Esse é, por exemplo, o caso para a síntese de uma mistura contendo 50% de AS e 50% de ureia e usando uma solução de 70% de ureia como matéria-prima.

[00086] Tal pré-reator pode ser ou um tanque neutralizador ou um reator tubular.

[00087] Se a reação for efetuada num vaso separado projetado como um neutralizador, ele pode ser preferivelmente mantido sob certa pressão a qual, aliada à gravidade, permite a alimentação do reator sem o uso de qualquer bomba em tal meio corrosivo. Tal sistema de um pré-neutralizador separado apresenta a vantagem de tomar certa quantidade de vapor de pressão sob pressão, caso necessário, mas requer mais investimento do que a opção de reator tubular.

[00088] Conforme aqui descrito, o pré-reator pode ser mais simples, projetado no mesmo reator tubular que o reator de UAS, sendo construído como um comprimento extra em relação ao próprio reator tubular de UAS, antes da injeção de ureia, zona 1A/2A.

[00089] Essa reação é especialmente rápida, e o pré-reator pode ele mesmo ser resumido a um bocal reativo, zona 3A/4A.

[00090] Água 13 é primeiramente adicionada em amônia através da entrada 9 ou no ácido 5. Se for adicionada ao ácido, por exemplo, o tubo revestido com PTFE é vantajosamente equipado com um misturador estático 12 para evitar qualquer ponto quente o qual possa danificar o Teflon. A mistura entra no bocal para ser pulverizada num fluxo axial ou, preferivelmente, tangencial de amônia pela entrada 9, exatamente no injetor de ácido 3/3A.

[00091] Tal configuração de pré-reator pode ajudar na melhoria da economia global do complexo de ureia. Uma planta de ureia produz água, de acordo com a estequiometria: 2 NH3 + C02 = CO(NH2)2 + H20 (amônia) (dióxido de carbono) (ureia) (água) [00092] Consequentemente, água está disponível no local e água adicional para o reator pode ser, de maneira interessante, alguma solução de carbamato fraca ou efluentes contendo N da planta de ureia, que requeiram um tratamento caro antes da descarga para o ambiente, tal como hidrólise térmica.

Caso B

[00093] Esse é tipicamente o caso de uma solução de ureia-carbamato disponível em qualquer complexo de ureia.

[00094] As condições operacionais são escolhidas para funcionar com um grande excesso alcalino no reator e para capturar uma grande quantidade de amônia no separador de vapor acidifiçado. Portanto, a solução de separação de vapor contém bastante sulfato de amônio. Tipicamente de 5 a 20% do ácido é adicionado no separador de vapor.

[00095] Nesse caso, é fortemente recomendável trabalhar com um separador de duplo estágio [Sl; S2] : um primeiro estágio [Sl] para capturar as gotas de ureia, um segundo estágio [S2] para tratar especificamente a amônia.

[00096] Dessa forma, a solução de separação 11 do segundo estágio, quase livre de ureia, é diretamente reciclada na linha de ácido sulfúrico para abrandá-lo sem degradar a ureia separada. A linha ácida é preferivelmente equipada com um misturador estático 12 para suavizar por pré-reação. 10% a -50% de ácido sulfúrico é, portanto, transformado em bissulfato já antes do contato com qualquer ureia, o que permite alcançar uma taxa de degradação de ureia globalmente aceitável.

[00097] A solução de separação da parte seca, juntamente com a solução de separação do separador de vapor do primeiro estágio são tipicamente recicladas no primeiro anel do reator de UAS, projetado como no Caso A, ou diretamente dentro do fluxo de ureia 7.

Projeto do Separador [00098] O reator tubular descarrega no separador (não mostrado) uma mistura de três fases: liquida (ureia, água, sulfato de amônio dissolvido, . . . ) , gasosa (vapor produzido devido ao calor reacional) e sólida regular (cristais de AS supersaturados). O objetivo do separador é separar a solução/lama de UAS e o vapor do processo. Devido à presença potencial de cristais e a alta velocidade no reator, o separador tem que ser projetado para resistir â abrasão.

[00099] O projeto do separador irá depender do esquema, especialmente no caso de uma planta reformada. O reator pode ser instalado horizontalmente ou verticalmente ou em qualquer posição intermediária. Várias possibilidades para o separador podem ser previstas em relação à eficiência de separação e à resistência â abrasão.

[000100] Preferivelmente, o separador é um vaso com uma saia interna. A entrada de vapor está no topo do vaso e tangencialmente para obter um efeito ciclónico, melhorando a eficiência de separação.

[000101] Na sua parte mais baixa, ele tem uma forma cônica ou de prato, preferivelmente com um diâmetro reduzido para permitir um controle de nivel mais preciso com um tempo de residência reduzido. Um dispositivo anti-vórtex é preferivelmente instalado para o mesmo propósito de controle de nivel.

[000102] Na parte superior do separador, um dispositivo separador de gotas (malha entrelaçada, do tipo bandejas com tampa, do tipo vela ou embalagem, por exemplo) pode ser vantajosamente instalado para separar a maior parte das gotas remanescentes.

[000103] Em tal caso, um pulverizador de água ou condensados é preferivelmente ajustado para limpar de tempos em tempos o separador de gotas quando a sua queda de pressão aumenta, devido à escamação, cristalização, parada progressiva com um tampão.

Separador de vapor (Scrubber) [000104] O vapor produzido no reator tubular contém certa quantidade de amônia não-reagida assim como algumas gotas de solução de UAS, a qual não foi separada no separador.

[000105] Portanto, esse vapor é lavado num separador acidifiçado. Ele pode ser uma coluna empacotada ou de bandejas, um separador de Venturi ou uma combinação de tais dispositivos para obter as especificações requeridas.

[000106] Esse separador, além disso, tem a vantagem de saturar o vapor do processo, melhorando a eficiência global do condensador. O separador pode ser ou um vaso independente, uma sucessão de elementos independentes executando sucessivos estágios de separação para alcançar um mesmo resultado, ou mesmo incorporado no topo do separador do reator tubular como um equipamento individual.

[000107] O separador é preferivelmente projetado em dois estágios: no primeiro as gotas de ureia/UAS são paradas preferivelmente por uma solução de separação neutra, enquanto que a segunda etapa é mantida ácida para capturar a amônia. Ele evita o aumento da degradação de ureia pela acidificação forte da solução de separação contendo ureia.

[000108] A invenção será adicionalmente ilustrada com referência aos seguintes exemplos: Exemplos Exemplo 1 - ilustração do caso Al [000109] Foram conduzidos experimentos numa escala de planta piloto pequena. Primeiramente, num reator transversal tubular padrão típico, conforme mostrado na Figura 2, alimentado com ácido no eixo 15 do reator, 78% de solução de ureia livre de carbamato pela entrada 16 e de amônia gasosa pela entrada 17.

[000110] Segundo, no reator de acordo com essa invenção, com um reator correspondendo ao caso Al. Ácido é injetado no eixo, solução de ureia pela entrada 7 e amônia gasosa pela entrada 8. O alvo foi produzir UAS contendo 77% de ureia e 23% de AS. A amônia foi alimentada em excesso na proporção molar de 2%.

[000111] O flash foi efetuado sob vácuo a 50 kPa (abs) numa temperatura de cerca de 135 °C, o conteúdo de água da solução saindo do reator foi de cerca de 5%. A solução de separação não foi reciclada durante esse experimento.

[000112] As condições e resultados estão indicados depois na Tabela 2: Tabela 2 Exemplo 2 - ilustração do caso Kl [000113] Foram feitos experimentos para produzir um grau de UAS de 65/35 íp/p) pelo uso de uma solução de ureia a 78%. Água adicional foi, por essa razão, necessária para absorver o calor da reação. No primeiro experimento, água foi introduzida pela diluição da solução de ureia 7; 13, enquanto no segundo, foram estudadas as vantagens do pré-reator, com um quarto da quantidade de amônia alimentada pela entrada 9, três quartos de amônia alimentados pela entrada 8 e água extra 13 adicionada no ácido 5 usando um pré-misturador 12.

[000114] Foi efetuado o flash sob 50 kPa < abs) num recipiente separado próximo do separador do reator tubular. Os resultados e condições estão ilustrados na Tabela 3;

Tabela 3 Exemplo 3 - Ilustração do caso B

[000115] Testes cora ureia-carbamato foram efetuados com um excesso de amônia na proporção molar de 2% e com um excesso de amônia na proporção molar de 10 e 20%, respectivamente. Ureia fundida cora uma concentração de 99,5% foi misturada em linha com uma suspensão de bicarbonato de amônio e amônia gasosa para estimular uma solução de ureia-carbamato. 0 alvo era 35% de AS no UAS.

[000116] A reciclagem da solução de separação correspondendo a um separador de segundo estágio foi estimulada por um fluxo adicional de solução de sulfato de amônio numa concentração de 30% num pré-misturador. Esse fluxo de AS corresponde à neutralização do excesso de amônia alimentada no reator, mas excluindo a amônia liberada pela degradação de ureia.

[000117] Um ajuste de fluxo de água foi adicionado na solução de ureia para alcançar um conteúdo de água similar de aproximadamente 5% na solução de UAS na saída do tanque de flash. Os resultados e condições estão ilustrados na Tabela 4: Tabela 4 REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Reator tubular compreendendo um corpo tubular 14 e uma cabeça de reator 1, em que a cabeça do reator compreende: um meio (3,3A) para a injeção axial de ácido, um meio (2,2A) para a injeção de uma base, uma câmara de reação (3A, 2A), caracterizado pelo fato de que: a cabeça do reator compreende ainda um meio (1, IA) para o fornecimento de um componente sensível ao calor e/ou a ácido e uma câmara reacional, e em que o meio (3,3A) para a injeção axial de ácido tem um cone (3A) , o meio (2,2A) para a injeção da base tem uma entrada (8), tem um cone (2A) na sua extremidade à jusante, e forma uma primeira câmara anular ao redor do meio (3,3A) para a injeção axial de ácido, o meio (1, IA) para o fornecimento de um componente sensível ao calor e/ou a ácido inclui uma entrada (7), tem uma convergência (IA) na sua extremidade à jusante, e forma uma segunda câmara anular ao redor do meio (2,2A) para a injeção de uma base, e a câmara reacional é formada pela zona entre a extremidade dos cones 3A e 2A.

2. Reator tubular, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um pré-reator para pré-neutralizar o ácido é disposto à montante da cabeça do reator.

3. Reator tubular, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o pré-reator é um reator tubular ou um tanque neutralizador.

4. Reator tubular, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o pré-reator é parte do reator tubular principal, e o meio para injeção de amônia ou outra base inclui uma entrada (9).

5. Reator tubular, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o misturador (12) para a diluição do ácido é disposto à montante da cabeça do reator.

6. Instalação para a produção de sulfato de amônio e ureia compreendendo um reator tubular como definido na reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que ácido sulfúrico é injetado pelo meio (3,3A) para a injeção axial de ácido, amônia é injetada pelo meio (2,2A) para a injeção de uma base, e ureia é injetada pelo meio (1, IA) para o fornecimento de um componente sensível ao calor e/ou a ácido.

7. Instalação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a cabeça do reator (1) é precedida por um pré-reator, o qual tem um meio (9) para a injeção de amônia, um meio (4) para o fornecimento de ácido e uma câmara reacional (4A).

8. Instalação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o misturador (12) para a diluição do ácido está posicionado à montante da cabeça do reator.

9. Instalação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o meio para receber o vapor é um separador (Sl, S2).

10. Instalação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o separador é projetado em dois estágios distintos (Sl, S2).

11. Instalação, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada pelo fato de que o separador tem um meio (11) para a reciclagem da solução de separação para o meio (1, IA) para o fornecimento de um componente sensível ao calor e/ou a ácido e/ou para o meio (3,3A) para a injeção axial de ácido.

12. Instalação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o separador é seguido por um tanque de flash.

13. Instalação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a produção de sulfato de amônio e ureia é um processo final de uma planta de ureia.