BRPI0922143B1 - método para produzir gás de síntese e usar para produzir um produto de amônia - Google Patents

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Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA PRODUZIR GÁS DE SÍNTESE. São apresentados sistemas e métodos para a produção de gás de síntese. Pelo menos em uma realização especifica, um hidrocarboneto pode ser reformado na presença de vapor e um ou mais primeiros catalisadores em uma primeira zona de reação, para produzir um efluente contendo uma porção de hidrocarboneto, monóxido de carbono, dióxido de carbono, e hidrogênio, em uma primeira temperatura. A primeira zona de reação pode incluir um ou mais tubos contendo catalisador. O efluente pode ser aquecido indiretamente da primeira temperatura para uma segunda temperatura. O efluente na segunda temperatura pode ser reformado na presença de um ou mais oxidantes e um ou mais segundos catalisadores, em condições suficientes para a produção de um gás de síntese constituído por hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, e menos de cerca de 5% em moles, em base seca, de metano. O gás de síntese pode ser utilizado para aquecer indiretamente o enfluente, da primeira temperatura para a segunda temperatura.

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A realização atual refere-se genericamente a sistemas e métodos para a produção de amónia. Mais especialmente, as realizações da invenção atual referem-se a sistemas e métodos para a recuperação de calor de um gás de síntese e à produção de amónia.
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA
[002] O gás de síntese ou ”gás de síntese" tipicamente é o produto da reforma de um material contendo carbono na presença de vapor e/ou de um oxidante em temperaturas elevadas. Dependendo dos materiais iniciais, o gás de síntese usualmente é rico em monóxido de carbono e hidrogênio, e também pode conter quantidades variáveis de metano, dióxido de carbono, nitrogênio e argônio.
[003] A preparação convencional de gás de síntese pode incluir a introdução de um hidrocarboneto em um reformador de queima a vapor e o contato do hidrocarboneto com um catalisador de reforma a vapor. O hidrocarboneto primário reformado é então introduzido em um segundo reformador onde o hidrogênio e os hidrocarbonetos não reformados são parcialmente oxidados com um oxidante, na presença de um catalisador. As etapas de reforma são endotérmicas e requerem calor para ser fornecido aos reformadores para que as reações prossigam. O calor para as reações de reforma usualmente é fornecido através da queima de grandes quantidades de combustível. O aumento da temperatura do reformador secundário pode produzir uma conversão mais elevada do hidrocarboneto em gás de síntese, mas assim o fazendo, requer a oxidação de mais combustível.
[004] Existe, portanto, uma necessidade por sistemas e métodos para converter mais hidrocarbonetos em gás de síntese, ao mesmo tempo reduzindo o custo e o tamanho do equipamento, e reduzindo a quantidade de combustível requerida para produzir o calor para as reações de reforma.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[005] Para que a maneira pela qual as características mencionadas acima da invenção atual possam ser entendidas em detalhe, poderá ser apresentada uma descrição mais específica da invenção, a qual foi resumida acima, através de referência às realizações, algumas das quais são ilustradas nos desenhos anexos. No entanto, deve-se notar que os desenhos anexos ilustram somente realizações típicas desta invenção e, portanto, não devem ser considerados como limitando o seu escopo, porque a invenção poderá admitir outras realizações igualmente efetivas.
[006] A figura 1 detalha um sistema ilustrativo para a produção de um gás de síntese de acordo com uma ou mais das realizações descritas.
[007] A figura 2 detalha um sistema ilustrativo para a produção de amónia de acordo com uma ou mais das realizações descritas.
[008] A figura 3 detalha um sistema de purificação ilustrativo da purificação de um gás de síntese para a síntese de amónia de acordo com uma ou mais das realizações descritas.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[009] Será agora apresentada uma descrição detalhada. Cada uma das realizações anexas define uma invenção separada, as quais, para fins de direito, são reconhecidas como incluindo equivalentes a vários elementos ou limitações especificadas nas reivindicações. Dependendo do contexto, todas as referências abaixo à “invenção" em alguns casos poderão referir-se somente a certas realizações específicas. Em outros casos, será reconhecido que as referências à “invenção" se referem a um assunto específico citado em uma ou mais, mas não necessariamente em todas as reivindicações. Cada uma das invenções será agora descrita em maiores detalhes abaixo, incluindo realizações específicas, versões e exemplos, mas as invenções não são limitadas a estas realizações, versões ou exemplos, que são incluídos para permitir que uma pessoa tendo conhecimento normal na técnica execute e use as invenções, quando a informação nesta patente é combinada com informação e tecnologia disponíveis.
[0010] São apresentados sistemas e métodos para produzir gás de síntese. Pelo menos em uma realização especifica, um hidrocarboneto pode ser reformado na presença de vapor e um ou mais primeiros catalisadores, em uma primeira zona de reação, para produzir um efluente contendo uma porção do hidrocarboneto, monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio, em uma primeira temperatura. A primeira zona de reação pode incluir um ou mais tubos contendo um catalisador. O efluente pode ser aquecido indiretamente da primeira temperatura para uma segunda temperatura. O efluente na segunda temperatura pode ser reformado na presença de um ou mais oxidantes e um ou mais segundos catalisadores, em condições suficientes para a produção de um gás de síntese constituído por hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, e menos de cerca de 5% em moles, em base seca, de metano. O gás de síntese pode ser usado para aquecer indiretamente o efluente, da primeira temperatura para a segunda temperatura.
[0011] Com referência às figuras, a figura 1 detalha um sistema ilustrativo 100 para a produção de um gás de síntese de acordo com uma ou mais realizações. Em uma ou mais realizações, o sistema 100 pode incluir um ou mais reformadores ("reformadores primários") 105, um ou mais trocadores de calor 110, e um ou mais reformadores ("reformadores secundários") 115. Através da linha 101 e através da linha 103 podem ser introduzidos, uma alimentação de hidrocarbonetos e vapor, em um ou mais reformadores primários 105, para a produção de um primeiro hidrocarboneto reformado ("efluente") através da linha 107.
[0012] Em uma ou mais realizações, o hidrocarboneto na linha 101, pode incluir um ou mais hidrocarbonetos líquidos ou gasosos, misturas dos mesmos, ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma ou mais realizações, o hidrocarboneto na linha 101, pode incluir metano, etano, propano, e butano, ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, a concentração de metano nos hidrocarbonetos na linha 101 pode variar de um valor tão baixo quanto cerca de 30% em volume, cerca de 50% em volume, ou cerca de 75% em volume, até um valor alto de cerca de 95% em volume, cerca de 99% em volume, ou cerca de 99,9% em volume, com o restante incluindo hidrocarbonetos C2, C3 e mais pesados. Em uma ou mais realizações, a pressão dos hidrocarbonetos na linha 101 pode variar de um valor baixo de cerca de 700 kPa, cerca de 1000 kPa, ou cerca de 1400 kPa até um valor alto de cerca de 4000 kPa, cerca de 4750 kPa, ou cerca de 5500 kPa. Apesar de não ser mostrado, os hidrocarbonetos na linha 101 podem ser aquecidos previamente antes da introdução em um ou mais reformadores primários 105. Em uma ou mais realizações, os hidrocarbonetos na linhal 01 podem ser aquecidos previamente até uma temperatura que varia de cerca de 400°C a cerca de 600° C.
[0013] Em uma ou mais realizações, o vapor introduzido através da linha 103 pode ser introduzido nos hidrocarbonetos na linha 101 ou em um ou mais reformadores primários 105. Em uma ou mais realizações, a relação molar vapor-carbono nas linhas 103 e 101, respectivamente, pode variar de cerca de 2,5 a cerca de 4, de cerca de 2,5 a cerca de 3,5, ou de cerca de 3 a cerca de 4. Em uma ou mais realizações, a pressão de vapor na linha 103 pode variar de um valor baixo de cerca de 700 kPa, cerca de 1000 kPa, ou cerca de 1400 kPa até um valor elevado de cerca de 4000 kPa, cerca de 4750 kPa, ou cerca de 5500 kPa.
[0014] O efluente na linha 107 tem uma temperatura ("primeira temperatura") maior do que a dos hidrocarbonetos na linha 101. Os efluentes na linha 107 podem incluir, mas não são limitados a, hidrogênio ("H2”), dióxido de carbono ("CO2"), monóxido de carbono ("CO"), nitrogênio, argônio, água e metano. Em uma ou mais realizações, a concentração de H2 no efluente na linha 107, pode variar de um valor baixo de cerca de 31% em moles, cerca de 33% em moles, ou cerca de 35% em moles, até um valor elevado de cerca de 39% em moles, cerca de 41% em moles, ou cerca de 43% em moles. Em uma ou mais realizações, a concentração de CO no efluente na linha 107 pode variar de um valor baixo de cerca de 3% em moles, cerca de 3,5% em moles, ou cerca de 4% em moles, até um valor elevado de cerca de 5% em moles, cerca de 5,5% em moles, ou cerca de 6% em moles. Em uma ou mais realizações, a concentração de CO2 no efluente na linha 107 pode variar de um valor baixo de cerca de 4% em moles, cerca de 4,5% em moles, ou cerca de 5% em moles, até um valor elevado de cerca de 6% em moles, cerca de 6,5% em moles, ou cerca de 7% em moles. Em uma ou mais realizações, a concentração de H2O no efluente na linha 107 pode variar de um valor baixo de cerca de 38% em moles, cerca de 40% em moles, ou cerca de 42% em moles, até um valor elevado de cerca de 47% em moles, cerca de 49% em moles, ou cerca de 51% em moles. Em uma ou mais realizações, a concentração de metano no efluente na linha 107 pode variar de um valor baixo de cerca de 6% em moles, cerca de 7% em moles, ou cerca de 8% em moles, até um valor elevado de cerca de 10% em moles, cerca de 11% em moles, ou cerca de 12% em moles. Por exemplo, pelo menos em uma realização especifica, o efluente na linha 107 pode conter cerca de 35% em moles a cerca de 39% em moles de H2, cerca de 4% em moles a cerca de 5% em moles de CO, cerca de 6% em moles a cerca de 8% em moles de CO2, cerca de 8% em moles a cerca de 10% em moles de metano, e cerca de 42% em moles a cerca de 47% em moles de H2O.
[0015] Em uma ou mais realizações, a primeira temperatura pode variar de um valor baixo de cerca de 650°C a cerca de 675°C, ou cerca de 700°C a um valor elevado de cerca de 730°C, cerca de 740°C, ou cerca de 750°C. Em uma ou mais realizações, a primeira temperatura pode estar em torno de 715°C, cerca de 725°C, ou cerca de 735°C. Em uma ou mais realizações, a primeira temperatura pode estar pelo menos a 700°C, pelo menos a 710°C, pelo menos a715°C, ou pelo menos a 720°C.
[0016] Em uma ou mais realizações, o efluente da primeira temperatura dentro de um ou mais reformadores primários 105 pode ser retirado diretamente de um ou mais reformadores primários 105 e enviado para um ou mais trocadores de calor 110, sem resfriamento. Em uma ou mais realizações, o efluente, na primeira temperatura, dentro de um ou mais reformadores primários 105, pode ser retirado diretamente de um ou mais reformadores primários e enviado para um ou mais trocadores de calor 110 sem o resfriamento do efluente na primeira temperatura dentro de um ou mais reformadores primários 105. A única perda de calor do efluente na linha 107 entre um ou mais reformadores primários 105 e um ou mais trocadores de calor 110 pode ser a perda de calor para o meio ambiente durante o transporte. Em outras palavras, não é feito nenhum trabalho no efluente.
[0017] Em uma ou mais realizações, a temperatura do hidrocarboneto introduzido através da linha 101 pode ser aumentada para produzir um efluente através da linha 107 tendo uma temperatura aumentada monotonicamente. Conforme usado aqui, o termo “monotonicamente” significa uma alteração da temperatura, a qual é aumentada consistentemente ou é reduzida consistentemente, mas não oscila em valor relativo. Por exemplo, o hidrocarboneto introduzido no reformador primário 105 através da linha 101 em uma temperatura de 500°C pode ter a temperatura aumentada monotonicamente até uma temperatura de cerca de 650°C ou mais, o qual pode ser recuperado de um ou mais reformadores primários, através da linha 107.
[0018] Em uma ou mais realizações, o efluente na linha 107, na primeira temperatura, pode ser aquecido utilizando-se um ou mais trocadores de calor 110. Um gás de síntese bruto, introduzido através da linha 116, pode ser usado para aquecer indiretamente o efluente dentro de um ou mais trocadores de calor 110. Em uma ou mais realizações, o gás de síntese bruto na linha 116 pode ser fornecido por intermédio de um ou mais reformadores secundários 115. O efluente, na linha 112, tem uma temperatura ("segunda temperatura") maior do que o efluente na linha 107. O gás de síntese bruto ("gás de síntese bruto resfriado") na linha 117 tem uma temperatura menor do que o gás de síntese bruto na linha 116.
[0019] Em uma ou mais realizações, a segunda temperatura pode variar de um valor baixo de cerca de 850°C, cerca de 860°C, ou cerca de 870°C, até um valor elevado de cerca de 910°C, cerca de 920°C, ou cerca de 930°C. Em uma ou mais realizações, a segunda temperatura pode ser em torno de 875°C, cerca de 885°C, ou cerca de 895°C.
[0020] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese bruto na linha 116 pode ter uma temperatura que varia de um valor baixo de cerca de 960°C, cerca de 970°C, ou cerca de 980°C, até um valor elevado de cerca de 1010°C, cerca de 1020°C, ou cerca de 1030°C. Em uma ou mais realizações, a temperatura do gás de síntese bruto na linha 116 pode estar em torno de 995°C, cerca de 1000°C, ou cerca de 1005°C. Em uma ou mais realizações, o gás de síntese bruto resfriado na linha 117 pode estar em uma temperatura que varia de um valor baixo de cerca de 860°C, cerca de 870°C, ou cerca de 880°C, até um valor elevado de cerca de 900°C, cerca de 910°C, ou cerca de 920°C. Em uma ou mais realizações, a temperatura do gás de síntese bruto resfriado na linha 117 pode ser em torno de 880°C, cerca de 890°C, ou cerca de 900°C.
[0021] Em uma ou mais realizações, a temperatura do efluente na linha 107 pode ser aumentada através da troca indireta de calor em um ou mais trocadores de calor 110 em cerca de 150°C ou mais, cerca de 165°C ou mais, cerca de 185°C ou mais, cerca de 200°C ou mais, ou cerca de 215°C ou mais. Em uma ou mais realizações, a temperatura do gás de síntese bruto na linha 116 pode ser reduzida através da troca indireta de calor em um ou mais trocadores de calor 110, em cerca de 80°C ou mais, cerca de 100°C ou mais, cerca de 120°C ou mais, cerca de 130°C ou mais, ou cerca de 140°C ou mais.
[0022] O efluente aquecido na linha 112 pode ser introduzido em um ou mais reformadores secundários 115 para produzir o gás de síntese bruto através da linha 116. Em uma ou mais realizações, pode ser introduzido no reformador secundário 115, um oxidante, através da linha 114. Em uma ou mais realizações, o oxidante pode ser comprimido utilizando-se um ou mais compressores, para produzir um oxidante comprimido, através da linha 114. Em uma ou mais realizações, o oxidante pode ser ar, contendo cerca de 21% em moles de oxigênio, cerca de 78% em moles de nitrogênio, e cerca de 1% em moles de argônio. Em uma ou mais realizações, o oxidante pode ser ar enriquecido com oxigênio, ar enriquecido com nitrogênio, ou ar com pouco nitrogênio, por exemplo, com menos de 5% em moles de nitrogênio. A pressão do oxidante comprimido na linha 114 pode variar de um valor baixo de cerca de 700 kPa, cerca de 1000 kPa, ou cerca de 1400 kPa, até um valor elevado de cerca de 4000 kPa, cerca de 4750 kPa, ou cerca de 5500 kPa. Apesar de não ser mostrado, o oxidante pode ser pré-aquecido até uma temperatura em torno de 500°C ou mais, cerca de 550°C ou mais, cerca de 600°C ou mais, cerca de 700°C ou mais, ou cerca de 800°C ou mais.
[0023] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese bruto na linha 116 pode conter, mas não é limitado a H2, CO2, CO, nitrogênio, argônio, água e metano. O gás de síntese bruto na linha 116 pode conter menos de cerca de 5% em moles, em base seca, de metano, menos de cerca de 3% em moles, em base seca, de metano, menos de cerca de 1% em moles, em base seca, de metano, menos de cerca de 0,7% em moles, em base seca, de metano, menos de cerca de 0,5% em moles, em base seca, de metano, menos de cerca de 0,4% em moles, em base seca, de metano, ou menos de cerca de 0,3% em moles, em base seca, de metano.
[0024] Em uma ou mais realizações, o aumento da temperatura do efluente na linha 107 do reformador primário 105 pode melhorar as reações de reforma a vapor, dentro do segundo reformador secundário 115. Mais dos hidrocarbonetos presentes no efluente, por exemplo, metano e/ou outros hidrocarbonetos, podem ser convertidos em H2 e CO quando a temperatura do efluente aumenta. Uma conversão maior dos hidrocarbonetos presentes no efluente de H2 e CO pode reduzir a quantidade de hidrocarbonetos requerida através da linha 101, a quantidade de vapor requerido através da linha 103, a quantidade de combustível requerido para aquecer o reformador primário 115, e outras correntes de processo. Por exemplo, os hidrocarbonetos através da linha 101 e o vapor através da linha 103 podem ser reduzidos em cerca de 7%, cerca de 10%, ou cerca de 13%; no entanto, a mesma quantidade de H2 e CO pode ser fornecida para o gás de síntese bruto através da linha 116, devido ao aumento na taxa de conversão dos hidrocarbonetos. Um benefício adicional da transferência de calor do gás de síntese bruto na linha 116 para o efluente na linha 107 pode ser uma redução no tamanho do equipamento, o que reduz também os custos de capital.
[0025] Em uma ou mais realizações, o combustível requerido para aquecer um ou mais dos reformadores primários 105 pode ser reduzido em cerca de 5% ou mais, cerca de 7% ou mais, cerca de 9% ou mais, ou cerca de 11% ou mais. Outro benefício do aumento da temperatura do efluente na linha 107 antes da introdução em um ou mais reformadores secundários 115 pode ser uma redução na quantidade de hidrocarbonetos presentes no gás de síntese bruto na linha 116, fornecidos pelo reformador secundário 115. Uma conversão adicional de hidrocarbonetos em H2 e CO no reformador secundário 115 pode reduzir o gás descartado e/ou o gás de reciclo a jusante (não mostrado). Por exemplo, um fluxo de gás descartado pode ser reduzido em cerca de 8%, cerca de 10%, ou cerca de 13%, dessa forma melhorando a eficiência de processo. Em uma ou mais realizações, o consumo de energia pode ser reduzido em cerca de 0,1 Gcal/Mt de amónia ou mais, cerca de 0,12 Gcal/Mt de amónia ou mais, ou cerca de 0,14 Gcal/Mt de amónia ou mais.
[0026] Um ou mais reformadores primários 105, um ou mais reformadores secundários 115, ou ambos, podem incluir um ou mais catalisadores. Um ou mais catalisadores podem incluir, mas não são limitados a metais nobres, cobalto, ou níquel, óxidos dos mesmos, derivados dos mesmos, ou combinações dos mesmos. Um ou mais catalisadores podem ser suportados por um ou mais materiais de suporte. Um ou mais materiais de suporte podem incluir, mas não são limitados a alumina, alumina refratária, aluminato de magnésio, aluminato de cálcio, titanato aluminato de cálcio, zircônia, zircônia modificada por cério, ou qualquer combinação dos mesmos. Um catalisador ilustrativo, incluindo níquel, pode ter um teor de níquel que varia de um valor baixo de cerca de 5% em peso, cerca de 10% em peso, ou cerca de 12% em peso, até um valor elevado de cerca de 15% em peso, cerca de 20% em peso, ou cerca de 25% em peso. Um ou mais catalisadores colocados dentro de um ou mais reformadores primários 105 podem ser o mesmo que um ou mais catalisadores colocados dentro de um ou mais reformadores secundários 110. Um ou mais catalisadores colocados dentro de um ou mais reformadores primários 105 podem ser diferentes de um ou mais catalisadores colocados dentro de um ou mais reformadores secundários 110. Por exemplo, um catalisador contendo níquel colocado dentro de um ou mais reformadores primários 105 pode conter cerca de 15% em peso a cerca de 20% em peso de níquel, e um catalisador contendo níquel colocado dentro de um ou mais reformadores secundários 110 pode conter cerca de 10% a cerca de 15% de níquel.
[0027] Os catalisadores podem ser preparados com qualquer formato ou forma desejada, através de vários métodos, por exemplo, briquetagem, formação de tablete, etc. A forma do catalisador pode ter o formato de cilindros extrusados, briquetados ou em tabletes, extrusões polilobais, esferas, anéis, cilindros do núcleo ocos com ranhuras na parte interna e/ou nas superfícies externas, ou qualquer formato geométrico apropriado.
[0028] Um ou mais reformadores primários 105 podem ser qualquer tipo adequado de reformador. Por exemplo, um ou mais reformadores primários 105 podem ser uma quantidade de tubos aquecidos por radiação, com uma só parede, contendo o catalisador. Um ou mais reformadores primários 105 podem incluir 200 ou mais tubos, 400 ou mais tubos,500 ou mais tubos, 600 ou mais tubos,700 ou mais tubos, 800 ou mais tubos, 900 ou mais tubos, ou 1000 ou mais tubos. Em uma ou mais realizações, os tubos podem ter um diâmetro interno que varia de um valor baixo de cerca de 40 mm, cerca de 50 mm, ou cerca de 65 mm, até um valor elevado de cerca de 90 mm, cerca de 100 mm, ou cerca de 115 mm, ou mais. Por exemplo, o diâmetro interno de um ou mais tubos pode ser em torno de 70 mm, cerca de 75 mm, ou cerca de 80 mm. Em uma ou mais realizações, o diâmetro de um ou mais tubos de catalisador pode reduzir ou minimizar o gradiente de temperatura radial dos tubos.
[0029] Em uma ou mais realizações, os hidrocarbonetos introduzidos através da linha 101 em um ou mais reformadores primários 105, podem escoar através da quantidade de tubos e podem ser recuperados através de um sistema de recolhimento em “coletor” (não mostrado), o qual pode estar em comunicação fluida com a linha 107. Por exemplo, a quantidade de tubos pode ser montada horizontalmente, verticalmente, ou em qualquer ângulo intermediário, e os hidrocarbonetos introduzidos através da linha 101 podem escoar de uma primeira extremidade dos tubos em comunicação fluida com a linha 101, para uma segunda extremidade da quantidade de tubos, que podem estar em comunicação fluida com a linha 107.
[0030] Em uma ou mais realizações, um ou mais reformadores secundários 115 podem ser qualquer tipo adequado de reformador. Por exemplo, um ou mais reformadores secundários 115 podem ser um reformador isolado internamente, o qual também pode ser resfriado do lado de fora através de um ou mais sistemas de resfriamento, por exemplo, uma camisa d’água. Um ou mais reformadores secundários 115 podem incluir um ou mais catalisadores em qualquer arranjo, configuração e/ou orientação. Um ou mais leitos catalíticos podem incluir leitos fixos, leitos fluidizados, leitos em ebulição, leitos em suspensão, leitos móveis, leitos borbulhantes, qualquer outro tipo adequado de leito catalítico, ou combinações dos mesmos. Em uma ou mais realizações, um ou mais reformadores secundários 115 podem incluir, por exemplo, um só catalisador de níquel de leito único, montado em duas camadas.
[0031] A figura 2 detalha um sistema ilustrativo 200 para a produção de amónia de acordo com uma ou mais realizações. Em uma ou mais realizações, o sistema 200 pode incluir um ou mais reformadores primários 105, reformadores secundários 115, sistema de conversão por troca 125, sistemas de purificação de gás de síntese (são mostrados dois, 135, 140), sistemas de síntese de amónia 145, e um ou mais trocadores de calor (são mostrados três, 110, 120,130). Em uma ou mais realizações, o reformador primário 105, o reformador secundário 115, e o trocador de calor 110, podem ser conforme discutidos e descritos acima, com referência à figura 1.
[0032] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese bruto que passa através da linha 117 pode ser recuperado do reformador secundário 115 conforme discutido e descrito acima, com referência à figura 1. O gás de síntese bruto que passa através da linha 117 pode ser introduzido em um ou mais trocadores de calor 120 para produzir um gás de síntese bruto ainda mais resfriado, através da linha 122. O calor pode ser transferido diretamente de um ou mais trocadores de calor 120, do gás de síntese bruto introduzido através da linha 117 para um meio de transferência de calor introduzido através da linha 118. Os meios de transferência de calor adequados introduzidos através da linha 118 podem incluir, mas não são limitados a água, água descartada, outra alimentação de processo dentro da planta, misturas dos mesmos, ou combinações dos mesmos. Por exemplo, o meio de transferência de calor na linha 118 pode ser água de alimentação de caldeira. Em uma ou mais realizações, podem ser recuperados o vapor que passa através da linha 121 e o produto de gás de síntese bruto resfriado através da linha 122.
[0033] O vapor fornecido por intermédio da troca indireta de calor através da linha 121 pode ser vapor de baixa pressão, vapor de média pressão, ou vapor de alta pressão. Em uma ou mais realizações, o vapor na linha 121 pode ter uma temperatura em torno de 200°C ou mais, 300°C ou mais, 400°C ou mais, 450°C ou mais, 475°C ou mais, ou 500°C ou mais. Em uma ou mais realizações, a pressão do vapor na linha da 121 pode variar de um valor baixo de cerca de 200 kPa, cerca de 400 kPa, ou cerca de 600 kPa, até um valor elevado de cerca de 4200 kPa, cerca de 6200 kPa, cerca de 8500 kPa, ou cerca de 12500 kPa, ou mais.
[0034] Um ou mais trocadores de calor 120 podem ser ou incluir qualquer sistema, dispositivo, ou combinação de sistemas e/ou dispositivos adequados para a transferência indireta de calor de um fluido para outro fluido. Por exemplo, o trocador de calor 120 pode ser ou incluir um ou mais trocadores de calor do tipo casco-e-tubo, placas e pedestal, em espiral, tubos em U, e/ou do estilo baioneta. Em uma ou mais realizações, um ou mais trocadores de calor 120 podem incluir tubos com superfície aumentada (por exemplo, aletados, misturadores estáticos, com ranhuras helicoidais, com recheio condutor de calor, com projeções que provocam turbulência, ou qualquer combinação dos mesmos), e semelhantes.
[0035] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese bruto resfriado através da linha 122 pode ser introduzido em um ou mais sistemas de conversão por troca 125 para produzir um gás de síntese convertido por troca através da linha 127. Um ou mais sistemas de conversão por troca 125 podem ajustar a relação entre hidrogênio e monóxido de carbono ("I-UCO") do gás de síntese através da conversão de monóxido de carbono em dióxido de carbono. Dentro de um ou mais conversores de troca, uma reação de troca água-gás pode fazer reagir pelo menos uma porção do monóxido de carbono no gás de síntese bruto resfriado introduzido através da linha 122 com água, na presença de um catalisador e/ou em temperatura elevada, para produzir hidrogênio e dióxido de carbono. Um ou mais reatores de troca podem incluir, mas não são limitados a, reatores de leito fixo adiabático de um só estágio, reatores de leito fixo adiabático de estágios múltiplos com resfriamento entre os estágios, reatores de geração de vapor ou de resfriamento por mergulho, reatores de leito fixo tubular com geração ou resfriamento do vapor, reatores de leito fluidizado, ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, pode ser usado um processo aumentado de sorção de troca água-gás ("SEWGS"), utilizando uma unidade de adsorção por alternância de pressão, tendo reatores de leito fixo múltiplos com recheio de catalisador de troca e adsorvente de dióxido de carbono de temperatura elevada (ao redor de 475°C).
[0036] Em uma ou mais realizações, um ou mais sistemas de conversores de troca 125 podem incluir dois ou mais reatores montados em série e/ou em paralelo. Um ou mais sistemas de conversão por troca 125 podem incluir um ou mais conversores de troca de alta temperatura ("HTSC"), um ou mais conversores de troca de temperatura média ("MTSC"), um ou mais conversores de troca de baixa temperatura ("LTSC"), ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma ou mais realizações, pode ser introduzida pelo menos uma porção do gás de síntese através da linha 122 em um ou mais HTSCs, MTSCs e/ou LTSCs em qualquer ordem e/ou combinação dos mesmos.
[0037] O gás de síntese convertido por troca fornecido através da linha 127 pode conter menos monóxido de carbono do que o gás de síntese bruto resfriado introduzido através da linha 122. O gás de síntese convertido através da linha 127 pode conter cerca de 5% em moles ou menos, em base seca, de monóxido de carbono, cerca de 3% em moles ou menos, em base seca, de monóxido de carbono, cerca de 2% em moles, em base seca, ou menos, de monóxido de carbono, cerca de 1% em moles, ou menos, em base seca, de monóxido de carbono, ou cerca de 0,5% em moles, em base seca, ou menos, de monóxido de carbono.
[0038] O gás de síntese, através da linha 122, pode ser distribuído igualmente ou de forma desigual, em um ou mais dos HTSCs, MTSCs, LTSCs. Por exemplo, cerca de 75% em volume do gás de síntese bruto resfriado pode ser introduzido em um HTSC, através da linha 122, e cerca de 25% pode ser introduzido em um MTSC. O gás de síntese convertido do HTSC e do MTSC pode então ser introduzido em um ou mais trocadores de calor 130 e/ou no sistema de purificação 135.
[0039] Em uma ou mais realizações, um ou mais dos HTSCs, MTSCs e LTSCs podem conter um ou mais catalisadores. Um ou mais dos HTSCs, MTSCs e LTSCs podem converter o monóxido de carbono no gás de síntese bruto resfriado na linha 122 em dióxido de carbono, através da reação do monóxido de carbono, na presença de um ou mais catalisadores, dentro de um ou mais dos HTSCs, MTSCs e LTSCs em uma temperatura suficiente para oxidar o monóxido de carbono. O catalisador dentro de um ou mais dos HTSCs pode incluir, mas não é limitado a óxido de ferro, ferrita de zinco, magnetita, óxidos de cromo, derivados do mesmo, ou qualquer combinação dos mesmos. Um ou mais dos HTSCs podem operar em uma temperatura de cerca de 325°C a cerca de 550°C. O catalisador colocado em um ou mais dos MTSCs pode incluir, mas não é limitado a óxido de ferro, óxido de cromo, derivados dos mesmos, ou qualquer combinação dos mesmos. Um ou mais dos MTSCs pode operar em uma temperatura de cerca de 250°C a cerca de 300°C. O catalisador colocado em um ou mais dos LTSCs pode incluir, mas não é limitado a cobre, zinco, cromia promovida por cobre, derivados dos mesmos, ou qualquer combinação dos mesmos. Um ou mais dos LTSCs podem operar em uma temperatura de cerca de 180°C a cerca de 220°C.
[0040] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese, através da linha 127, pode ser introduzido em um ou mais trocadores de calor 130 para produzir um gás de síntese convertido por troca, resfriado através da linha 132. O calor pode ser transferido diretamente do gás de síntese convertido por troca introduzido através da linha 127 para um meio de transferência de calor introduzido através da linha 128. Em uma ou mais realizações, um ou mais meios de transferência de calor adequados podem ser introduzidos através da linha 128 em um ou mais trocadores de calor 130. O meio de transferência de calor introduzido através da linha 128 pode ser, mas não é limitado a água, água descartada, outra alimentação de processo de dentro da planta, misturas dos mesmos ou combinações dos mesmos. Em uma ou mais realizações, o vapor pode ser fornecido através da linha 133, o qual pode ser vapor de baixa pressão, vapor de média pressão, ou vapor de alta pressão. Apesar de não ser mostrado, o gás de síntese na linha 127 pode ser resfriado diretamente através da introdução de um ou mais meios de transferência de calor na linha 118 para o gás de síntese na linha 127.
[0041] Um ou mais trocadores de calor 120 podem ser ou incluírem qualquer sistema, dispositivo, ou combinação de sistemas e/ou dispositivos adequados para transferir indiretamente calor de um fluido para o outro. Por exemplo, um ou mais trocadores de calor 120 podem ser ou incluírem um ou mais trocadores do tipo casco-e-tubo, placas e suporte, em espiral, de tubos em U, e/ou do estilo baioneta. Em uma ou mais realizações, um ou mais trocadores de calor 120 podem incluir tubos com a superfície aumentada (por exemplo, com aletas, misturadores estáticos, com ranhuras helicoidais, com recheio condutor de calor, com projeções que provocam turbulência, ou qualquer combinação dos mesmos), e semelhantes.
[0042] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese convertido por troca resfriado, através da linha 132, pode ser introduzido no sistema de purificação de gás de síntese 135. Em uma ou mais realizações, o sistema de purificação de gás de síntese 135 pode incluir, mas não é limitado a um ou mais sistemas de remoção de dióxido de carbono, metanadores, secadores, ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma ou mais realizações, o gás de síntese convertido por troca e resfriado pode ser introduzido, através da linha 132, em um ou mais sistemas de remoção de dióxido de carbono, para remover pelo menos uma porção do dióxido de carbono.
[0043] Um ou mais sistemas de remoção de dióxido de carbono dentro do sistema de purificação de gás de síntese 135 podem separar seletivamente dióxido de carbono do gás de síntese convertido para produzir um gás de síntese com pouco de dióxido de carbono e dióxido de carbono. O dióxido de carbono separado pode ser recuperado através da linha 138. Em uma ou mais realizações, o gás de síntese pobre em dióxido de carbono, opcionalmente, pode ser introduzido em um ou mais metanadores e/ou um ou mais secadores, dentro do sistema de purificação 135.
[0044] O gás de síntese pobre em dióxido de carbono pode ser introduzido em um ou mais metanadores, dentro do sistema de purificação 135, para converter pelo menos uma porção de qualquer monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono em metano e água. Por exemplo, o total de monóxido de carbono e dióxido de carbono no gás de síntese pode ser menos de cerca de 1000 ppm em peso, menos de cerca de 750 ppm em peso, ou menos de cerca de 500 ppm em peso do total de monóxido de carbono e dióxido de carbono. Em uma ou mais realizações, o gás de síntese pobre em monóxido de carbono e dióxido de carbono pode ser introduzido em um ou mais secadores dentro do sistema de purificação 135 para produzir água, através da linha 139, e um gás de síntese seco. Um ou mais secadores podem remover ou separar pelo menos uma porção de qualquer água no gás de síntese pobre em monóxido de carbono e dióxido de carbono, para produzir o gás de síntese seco.
[0045] O sistema de purificação 135 pode produzir um gás de síntese, através da linha 137, que pode ter uma concentração de hidrogênio que varia de um valor baixo de cerca de 40% em moles, cerca de 50% em moles, ou cerca de 55% em moles, até um valor elevado de cerca de 75% em moles, cerca de 80% em moles, ou cerca de 85% em moles. O gás de síntese, na linha 137, pode ter uma concentração de nitrogênio que varia de um valor baixo de cerca de 10% em moles, cerca de 20% em moles, ou cerca de 25% em moles, até um valor elevado de cerca de 40% em moles, cerca de 45% em moles, ou cerca de 50% em moles. O gás de síntese, na linha 137, pode ter uma concentração de metano menor do que cerca de 4% em moles, menor do que cerca de 3% em moles, menor do que cerca de 2% em moles, menor do que cerca de 1% em moles, ou menor do que cerca de 0,9% em moles. O gás de síntese, na linha 137, pode ter uma concentração de oxigênio de cerca de 0,1 % em moles até cerca de 5% em moles, cerca de 0,5% em moles a cerca de 4% em moles, ou cerca de 0,8% em moles a cerca de 3% em moles. O gás de síntese na linha 137 pode ter uma concentração de argônio que varia de cerca de 0,05% em moles a cerca de 2% em moles, cerca de 0,1 % em moles a cerca de 1,5% em moles, ou cerca de 0,1% em moles a cerca de 1% em moles. A relação molar entre hidrogênio e nitrogênio (H2:N2) pode variar de cerca de 1,5:1 a cerca de 5:1, de cerca de 2:1 a cerca de 4:1, ou de cerca de 2,2:1 a cerca de 3,2:1. A relação molar H2:N2 pode ser em torno de 1,5:1, cerca de 1,8:1, cerca de 1,9:1, cerca de 2,1:1, cerca de 2,2:1, cerca de 2,3:1, ou cerca de 1000 kPa até cerca de 20.800 kPa, cerca de 2000 kPa a cerca de 13.700 kPa, ou cerca de 3000 kPa a cerca de 10400 kPa. A temperatura do gás de síntese na linha 137 pode variar de cerca de - 100°C a cerca de 100°C, cerca de - 50°C a cerca de 50°C, ou cerca de - 25°C a cerca de 25°C.
[0046] Um ou mais sistemas de remoção de dióxido de carbono podem incluir qualquer uma ou uma combinação de sistemas físicos, mecânicos, elétricos e/ou químicos, configurados em série, paralelo, ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma ou mais realizações, um ou mais sistemas de remoção de dióxido de carbono podem incluir um ou mais sistemas de separação física, incluindo, mas não limitados a, sistemas do tipo membrana e sistemas com base em solvente. Por exemplo, um ou mais sistemas de remoção de dióxido ele carbono podem incluir, mas não são limitados a sistemas do tipo absorção/desorção, com base em solvente. O sistema de remoção de dióxido de carbono pode contatar o gás de síntese introduzido através da linha 132 com um ou mais absorventes, para remover pelo menos uma porção do dióxido de carbono. Os adsorventes seletivos de dióxido de carbono podem incluir, mas não são limitados a monoetanolamina ("MEA”), dietanolamina ("DEA"), trietanolamina ("TEA"), carbonato de potássio, metildietanolamina ("DGA"), diisopropanolamina ("DIPA"), derivados dos mesmos, misturas dos mesmos, ou qualquer combinação dos mesmos. Outros adsorventes e técnicas adequadas podem incluir, mas não são limitados a um solvente adsorvente físico de carbonato de propileno, assim como outros alquil carbonatos, dimetil éteres de polietileno glicol de duas a doze unidades glicol (processo Selexol®), n-metilpirrolidona, sulfolano, e o uso do processo de tratamento de gás Sulfinol®.
[0047] Um ou mais metanadores podem incluir qualquer, ou uma combinação de sistemas físicos, mecânicos, elétricos e/ou químicos para converter o monóxido de carbono e o dióxido de carbono em metano, configurados em série, paralelo, ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma ou mais realizações, um ou mais metanadores podem ser um processo catalítico que opera em uma temperatura suficiente para converter ou reagir pelo menos uma porção de qualquer monóxido de carbono e/ou dióxido de carbono em metano e água. Um ou mais processos catalíticos podem incluir um ou mais reatores catalíticos montados em série ou paralelo, contendo um ou mais catalisadores adequados para a conversão de monóxido de carbono e dióxido de carbono em metano. Catalisadores de metanadores adequados podem incluir, mas não são limitados a níquel, níquel promovido por terras raras, derivados dos mesmos, ou combinações dos mesmos. O metanador pode operar em uma temperatura de cerca de 200°C a cerca de 400°C. O gás de síntese pobre em monóxido de carbono e dióxido de carbono pode conter cerca de 50 ppm de monóxido de carbono e dióxido de carbono ou menos, ou cerca de 30 ppm de monóxido de carbono e dióxido de carbono, ou menos, ou cerca de 10 ppm de monóxido de carbono e de dióxido de carbono ou menos.
[0048] Um ou mais secadores podem incluir, mas não são limitados a uma ou mais peneiras moleculares, absorventes, adsorventes, separadores de tanque de expansão, incineradores, ou qualquer combinação dos mesmos. Absorventes adequados podem incluir, mas não são limitados a glicol, sais de halogeneto alcalino terroso, derivados dos mesmos, ou misturas dos mesmos. Adsorventes adequados podem incluir, mas não são limitados a, alumina ativada, sílica gel, peneiras moleculares, carvão ativo, derivados dos mesmos, ou misturas dos mesmos.
[0049] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese na linha 137 pode ser introduzido em um ou mais sistemas de purificação 140, onde um ou mais contaminantes, tais como nitrogênio em excesso, argônio, oxigênio, e metano, podem ser removidos para a produção de uma mistura gasosa pobre em contaminante ou gás de síntese purificado, através da linha 142. Um ou mais sistemas de purificação 140 podem ser usados para a remoção ou separação de quaisquer contaminantes, incluindo nitrogênio em excesso, i.e., nitrogênio em excesso daquele necessário para produzir uma relação molar H2:N2 de cerca de 2,2:1 a cerca de 3,2:1, da mistura gasosa comprimida na linha 205. Em uma ou mais realizações, um ou mais sistemas de purificação 140 podem incluir um ou mais separadores do tipo criogênico, operando em uma temperatura menor do que - 150°C. Um ou mais contaminantes e/ou nitrogênio em excesso podem ser removidos de um ou mais sistemas de purificação 140 como um gás descartado, através da linha 144.
[0050] Em uma ou mais realizações, a relação molar H2:N2 do gás de síntese purificado na linha 142 pode variar de cerca de 2:1 a cerca de 4:1, ou de cerca de 2,2:1 a cerca de 3,2:1. Por exemplo, a relação molar H2:N2 pode ser em torno de 2,9:1, cerca de 3:1, cerca de 3,1:1, ou cerca de 3,2:1. A concentração de hidrogênio no gás de síntese purificado pode variar de cerca de 50% em moles a cerca de 90% em moles, cerca de 60% em moles a cerca de 85% em moles, ou cerca de 70% em moles a cerca de 80% em moles. A concentração de nitrogênio no gás de síntese purificado na linha 142 pode variar de cerca de 10% em moles a cerca de 40% em moles, cerca de 15% em moles a cerca de 35% em moles, ou cerca de 20% em moles a cerca de 30% em moles. A concentração de metano no gás de síntese purificado na linha 142 pode variar de cerca de 0,001% em moles a cerca de 0,05% em moles, cerca de 0,002% em moles a cerca de 0,03% em moles, ou cerca de 0,005% em moles a cerca de 0,01% em moles. A concentração de oxigênio no gás de síntese purificado na linha 142 pode variar de cerca de 0,001% em moles a cerca de 0,05% em moles, cerca de 0,002% em moles a cerca de 0,03% em moles, ou cerca de 0,005% em moles a cerca de 0,01% em moles. A concentração de argônio no gás de síntese purificado na linha 142 pode variar de cerca de 0,05% em moles a cerca de 2% em moles, cerca de 0,1% em moles a cerca de 1,5% em moles, ou cerca de 0,1% em moles a cerca de 1% em moles.
[0051] Em uma ou mais realizações, o gás de síntese purificado pode ser introduzido em um ou mais sistemas de síntese de amónia 145 através da linha 142. Um ou mais sistemas de síntese de amónia 145 podem incluir um ou mais conversores de amónia e um ou mais condensadores de amónia. Pelo menos uma porção do nitrogênio e do hidrogênio presentes no gás de síntese purificado podem ser combinados para a produção de um produto de conversão de amónia (não mostrado). A concentração de amónia do produto de conversão de amónia pode variar de um valor baixo de cerca de 5% em moles, cerca de 10% em moles, ou cerca de 15% em moles, até um valor elevado de cerca de 25% em moles, cerca de 30% em moles, ou cerca de 35% em moles. Por exemplo, a concentração de amónia do produto de conversão de amónia pode variar de cerca de 12% em moles a cerca de 25% em moles, ou de cerca de 16% em moles a cerca de 22% em moles. A concentração de hidrogênio do produto de conversão de amónia pode variar de um valor baixo de cerca de 30% em moles, cerca de 40% em moles, ou cerca de 50% em moles, até um valor elevado de cerca de 70% em moles, cerca de 75% em moles, ou em torno de 80% em moles. A concentração de nitrogênio do produto de conversão de amónia pode variar de um valor baixo de cerca de 5% em moles, cerca de 10% em moles, ou cerca de 15% em moles, até um valor elevado de cerca de 30% em moles, cerca de 35% em moles, ou cerca de 40% em moles.
[0052] Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem ser conversores convencionais de uma só, ou de passagens múltiplas, utilizando um ou mais catalisadores de magnetita. Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem ser conversores de uma só ou de passagens múltiplas, utilizando um ou mais catalisadores de metal nobre, ou um ou mais catalisadores com base em rutênio, como o catalisador KAAP com base em rutênio disponível da Kellog, Brown, and Root LLC. Um ou mais catalisadores de metal nobre com atividade maior podem permitir o uso de pressões menores dentro do circuito de síntese de amónia, dessa forma permitindo o uso de um compressor de amónia de um só barril (não mostrado).
[0053] Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem incluir qualquer reator que se destine a operar em pressões e/ou temperaturas elevadas para a conversão, pelo menos de uma porção de um gás de alimentação contendo nitrogênio e hidrogênio, como por exemplo, o gás de síntese purificado, em amónia. Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem incluir um ou mais conversores de amónia de fluxo dividido, conforme descrito na patente americana de número 7.081.230. Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem incluir um ou mais “conversores isotérmicos de amónia” conforme descrito na patente americana de número 6.171.570. Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem incluir um ou mais “conversores horizontais de amónia adaptados para catalisador de atividade elevada”, conforme descrito na patente americana de número 6.132.187. Em uma ou mais realizações, um ou mais conversores de amónia podem incluir um ou mais conversores de amónia, conforme descrito na solicitação americana provisória de patente n° 60/990.207 depositada em 26 de novembro de 2007.
[0054] O produto conversor de amónia pode ser introduzido em um ou mais condensadores de amónia. Um ou mais condensadores de amónia podem condensar e separar a amónia para produzir um produto de amónia (ou o “produto acabado”) através da linha 147, e o hidrogênio não reagido e/ou gás nitrogênio ("gás de síntese de reciclo") ou ("gás descartado") através da linha 149. O produto acabado, através da linha 147, pode conter, mas não é limitado a amónia, hidrogênio e nitrogênio. O produto acabado pode conter um mínimo de cerca de 85% em peso, um mínimo de cerca de 90% em peso, um mínimo de cerca de 95% em peso, ou um mínimo de 99,9% em peso de amónia. O produto acabado, através da linha 147, pode conter um máximo de cerca de 15% em peso, cerca de 10% em peso, cerca de 5% em peso ou cerca de 0,1% em peso de hidrogênio e nitrogênio combinados.
[0055] O gás de síntese de reciclo, através da linha 149, pode ser reciclado para uma ou mais unidades de purificação 140 e/ou um ou mais metanadores e/ou secadores, que podem incluir um ou mais sistemas de purificação 135, conforme discutido e descrito acima. A concentração de hidrogênio no gás de síntese de reciclo na linha 149 pode variar de cerca de 40% em moles a cerca de 90% em moles, cerca de 50% em moles a cerca de 85% em moles, ou cerca de 60% em moles a cerca de 80% em moles. A concentração de nitrogênio no gás de síntese de reciclo na linha 149 pode variar de cerca de 10% em moles a cerca de 60% em moles, cerca de 15% em moles a cerca de 50% em moles, ou cerca de 20% em moles a cerca de 40% em moles.
[0056] Um ou mais condensadores de amónia podem incluir qualquer sistema mecânico ou químico que seja capaz de separar seletivamente amónia de uma mistura gasosa que inclua pelo menos hidrogênio e nitrogênio. Um ou mais condensadores de amónia podem incluir um ou mais purificadores criogênicos contendo um ou mais trocadores de refrigeração e um ou mais compressores de refrigeração.
[0057] A figura 3 detalha um sistema ilustrativo de purificação de gás de síntese 300 para a purificação de um gás de síntese para a síntese de amónia de acordo com uma ou mais realizações. Em uma ou mais realizações, o sistema de purificação de gás de síntese 300 pode incluir, mas não é limitado a, um ou mais trocadores cruzados (são mostrados dois, 305, 320), um ou mais expansores 310, um ou mais geradores 315, um ou mais colunas de contato vapor-líquido 330, e um ou mais condensadores ("trocadores de calor") 340. O sistema de purificação de gás de síntese 300 pode ter uma grande variedade de composição do gás de síntese introduzido através da linha 137. As diferenças de composição podem incluir, mas não são limitadas a variações no conteúdo de hidrocarbonetos, nitrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono, do gás de síntese.
[0058] Em uma ou mais realizações, um gás de síntese contendo hidrogênio e nitrogênio pode ser introduzido, através da linha 137, no trocador cruzado 305. Em uma ou mais realizações, pelo menos uma porção do gás de síntese de reciclo na linha 149 pode ser introduzido no gás de síntese na linha 137. O gás de síntese na linha 137 e o gás de síntese de reciclo na linha 149 podem ser conforme discutidos e descritos acima com referência às figuras 1 e 2. O gás de síntese e o gás de síntese de reciclo opcional introduzidos através da linha 137 podem ser resfriados indiretamente por intermédio de um gás de síntese purificado a frio na linha 142 e um gás descartado frio na linha 149, nos trocadores cruzados 305, 320. O gás de síntese, através da linha 307, pode ser expandido no expansor 319, entre os trocadores cruzados 305, 320, para resfriar ainda mais o gás de síntese e para recuperar a energia através de um gerador 315 acoplado diretamente. O expansor pode ser circundado ou suplementado utilizando-se uma válvula Joule-Thompson ("J-T") (não mostrada). Em uma ou mais realizações, o expansor 319 pode ser um dispositivo de produção de trabalho que recebe um suprimento líquido e produz um efluente líquido ou de vapor ou um efluente vapor-líquido. Quando o fluido efluente é um líquido, o expansor 319 pode ser uma turbina hidráulica.
[0059] O gás de síntese resfriado e parcialmente liquefeito, através da linha 322, do trocador cruzado 320, pode ser introduzido na coluna de contato vapor-líquido 330 onde ele pode ser ainda mais resfriado, parcialmente condensado e retificado para produzir o gás de síntese purificado, através da linha 142. O gás de síntese purificado na linha 142 e o gás descartado na linha 144 podem ser conforme discutidos e descritos acima, com referência à figura 2.
[0060] Em uma ou mais realizações, uma corrente de gasosa descartada pode ser descarregada da coluna de contato vapor-líquido através da linha 332, expandida através de uma válvula de controle de nível 333 e utilizada como um fluido de resfriamento no trocador de calor 340, que opcionalmente pode ser integrado com a coluna de contato vapor-líquido 332. O trocador de calor 340 pode resfriar e condensar parcialmente os vapores de topo da coluna de contato vapor-líquido 332 para produzir um gás de síntese líquido que pode entrar em refluxo na coluna 330. O gás de síntese purificado através da linha 142 pode ser comprimido para a conversão em conversores de amónia (não mostrados) que podem operar em pressões maiores. A queda de pressão do gás de síntese introduzido através da linha 137 e o gás de síntese opcional de reciclo introduzido através da linha 149 requerem a recompressão ajusante do sistema de purificação 300. Em uma ou mais realizações, a recompressão do gás de síntese pode ser eliminada, conforme discutido e descrito na patente americana de número 7.090.816.
[0061] Em uma ou mais realizações, as condições na coluna de contato vapor-líquido 330 podem determinar a composição do gás de síntese purificado na linha 142. Por exemplo, mais refrigeração reduz o teor de nitrogênio e menos refrigeração aumenta o teor de nitrogênio do gás de síntese purificado. O gás de síntese parcialmente liquefeito introduzido através da linha 322 na coluna de contato vapor-líquido pode produzir um vapor que pode escoar para cima através de uma zona de contato 335 para absorver o nitrogênio e enriquecer o teor de hidrogênio do vapor. A zona de contato vapor-líquido 335 pode ser ou incluir, mas não é limitada a, material de recheio aleatório, material de recheio estruturado, um ou mais pratos, uma ou mais aletas, ou qualquer combinação dos mesmos. O material de recheio aleatório pode incluir, mas não é limitado a anéis Nutter, anéis em I, anéis em P, anéis em R, anéis de Raschig, anéis de sela, anéis A-PAK, anéis Pali, anéis em U, ou qualquer outro tipo conhecido de anel de recheio, ou combinação de anéis de recheio. O material de recheio e estruturado pode incluir, mas não é limitado a chapas corrugadas, chapas onduladas, gazes, grelhas, malhas, estruturas de favo de mel monolíticas, ou qualquer combinação dos mesmos. Uma ou mais pratos e/ou aletas podem incluir, mas não são limitadas a pratos de válvulas flutuantes, pratos de válvulas fixas, pratos de peneiras, pratos borbulhantes, pratos de estojo, pratos de fluxo duplo, pratos de chicanas, pratos com chuveiro, pratos de roscas, pratos orbitais, pratos de ferradura, pratos de válvula de pressão, pratos de chaminé, pratos com rasgos, placas, pratos perfurados, ou qualquer combinação das mesmas.
[0062] Na extremidade superior da zona de contato 335 o vapor pode entrar em um espaço de ascensão 337 e escoar para uma zona de entrada de vapor 342 na extremidade superior do condensador 340. O vapor pode passar através dos lados dos tubos do condensador 340 para a condensação parcial por intermédio de troca indireta de calor com o gás descartado introduzido através da linha 332 para o lado do casco do condensador 340, para produzir um gás de síntese ainda mais enriquecido com componentes de baixo ponto de ebulição, como por exemplo, hidrogênio. Vapor e condensado podem sair do condensador 340 e podem ser separados em uma zona de expansão 344. O vapor pode sair da coluna de contato vapor-líquido 330 como o gás de síntese purificado através da linha 142. O condensado pode ser coletado em um poço de selagem líquido 346 em baixo da zona de descarga 344 e pode estar em comunicação fluida com a zona de contato 335. O condensado pode escoar por cima do poço de selagem 346 para escoar para baixo através da zona de contato 335 para o fundo da zona de contato líquido-vapor 330. O gás descartado pode ser recuperado através da linha 144, o qual pode ser introduzido nos trocadores cruzados 305, 320, conforme discutido acima.
[0063] As realizações da invenção atual podem ser adicionalmente descritas com os seguintes processos simulados. Os resultados dos seguintes dois processos simulados mostrados na Tabela 1 ilustram (1) um processo Standard e (2) o processo standard para a troca indireta de calor do gás de síntese bruto na linha 116 para o efluente na linha 107 de acordo com uma ou mais realizações descritas acima, com referência às figuras 1 e 2.
Figure img0001
Figure img0002
[0064] Conforme mostrado na Tabela 1, o aquecimento indireto do efluente na linha 107 a partir do gás de síntese bruto na linha 116 (“processo modificado") produz uma redução significativa de cerca de 10% para ambos, a alimentação de hidrocarbonetos na linhal01 e o vapor na linha 103. A carga de calor ou o calor requerido do primeiro reformador primário 105 é reduzida em cerca de 9%, que corresponde a uma redução de cerca de 7% na quantidade de combustível requerida para o aquecimento do reformador primário 105. O consumo geral de energia para o processo modificado pode ser reduzido para cerca de 6,82 Gcal/Mt do consumo básico de energia de cerca de 6,94 Gcal/Mt, o que produz uma melhoria líquida de energia de cerca de 0,12 Gcal/Mt ou cerca de 1,7% menos de energia.
[0065] O processo modificado produz um aumento na temperatura do efluente introduzido através da linha 112 no reformador secundário 115, que melhora as reações de reforma a vapor, dessa forma reformando um mais metano em H2 e CO, dessa forma melhorando a eficiência de processo. A transferência de parte do calor do gás de síntese bruto na linha 116 para o efluente na linha 112 resulta em mais moles do hidrocarboneto introduzidos através da linha 101, que são convertidos em H2 e CO, o que requer menos hidrocarbonetos através da linha 101 para produzir a mesma quantidade de H2 e CO no gás de síntese bruto. Isto permite o aumento na produção de gás de síntese ou uma redução na produção geral, ao mesmo tempo mantendo a mesma produção de Ho e CO, o que permite a redução nos tamanhos de equipamento, e economia de custo de capital, além da redução nos custos de operação. Além disso, o gás descartado através da linha 144 que é rejeitado pode ser reduzido em cerca de 11 %.
[0066] Certas realizações e características foram descritas utilizando-se um conjunto de limites numéricos superiores e um conjunto de limites numéricos inferiores. Deve-se considerar que são consideradas as faixas de qualquer limite inferior até qualquer limite superior, a não ser que seja indicado de outra forma. Certos limites inferiores, limites superiores e faixas, aparecem em uma ou mais reivindicações abaixo. Todos os valores numéricos são “cerca de” ou “aproximadamente” o valor indicado, e levam em consideração o erro experimental e as variações que seriam esperadas por uma pessoa tendo conhecimento normal na técnica.
[0067] Foram definidos acima vários termos. Quando um termo usado em uma reivindicação não é definido acima, o termo deve receber a definição mais abrangente que as pessoas na técnica pertinente deram àquele termo, refletido pelo menos em uma publicação impressa ou uma patente emitida. Além disso, todas as patentes, procedimentos de teste, e outros documentos citados nesta solicitação, são totalmente incorporados como referência, desde que essa apresentação não seja inconsistente com esta solicitação, e para todas as jurisdições nas quais essa incorporação é permitida.
[0068] Embora o mencionado anteriormente seja direcionado para as realizações da invenção atual, poderão ser imaginadas outras realizações adicionais da invenção, sem se afastarem do escopo básico da mesma, e o escopo da mesma é determinado pelas reivindicações que se seguem.

Claims (16)

1. Método para produzir gás de síntese e usar para produzir um produto de amónia, caracterizado pelo fato de compreender: reformar um hidrocarboneto na presença de vapor e um ou mais primeiros catalisadores em uma primeira zona de reação para prover um efluente compreendendo uma porção do hidrocarboneto, monóxido de carbono, dióxido de carbono, entre 8% em moles a 12% em moles de metano e hidrogênio em uma primeira temperatura, onde a primeira zona de reação compreende um ou mais tubos contendo o catalisador, e em que a relação do vapor e do hidrocarboneto na primeira zona de reação é de 2,5 a 3,5; aquecer indiretamente o efluente da primeira temperatura para uma segunda temperatura; reformar o efluente na segunda temperatura e em uma pressão de 4000 kPa a 5500 kPa na presença de um ou mais oxidantes e um ou mais segundos catalisadores em condições suficientes para prover um gás de síntese com uma temperatura na faixa de 980°C a 1030°C ou mais, e compreendendo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e menos de 0,3% em moles, em base seca, de metano, onde o gás de síntese é usado para aquecer indiretamente o efluente da primeira temperatura para a segunda temperatura; converter, usando um ou mais sistemas de conversão por troca e uma reação de troca água-gás, pelo menos uma porção do monóxido de carbono no gás de síntese usado para aquecer indiretamente o efluente para fornecer um gás de síntese convertido compreendendo dióxido de carbono e 1% em moles, em base seca, ou menos, de monóxido de carbono; resfriar o gás de síntese convertido usando um ou mais trocadores de calor para fornecer um gás de síntese convertido por troca resfriado; remover pelo menos de uma porção do dióxido de carbono do gás de síntese convertido por troca resfriado, para prover um gás de síntese pobre; converter pelo menos de uma porção de qualquer dióxido de carbono, monóxido de carbono, ou ambos, contidos no gás de síntese pobre em metano; separar pelo menos uma porção da água do gás de síntese pobre; separar pelo menos de uma porção do nitrogênio no gás de síntese pobre para produzir um gás de síntese de amónia tendo uma relação entre hidrogênio e nitrogênio de 2,2:1 a 3,2:1; e reagir pelo menos uma porção do hidrogênio e nitrogênio no gás de síntese de amónia para produzir um produto de amónia.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gás de síntese de amónia ter uma relação entre hidrogênio e nitrogênio de 2,9:1 a 3,2:1.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da primeira temperatura ser de 700°C ou mais.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da segunda temperatura ser de 850°C ou mais.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do hidrocarboneto compreender metano.
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da temperatura do gás de síntese, após o aquecimento indireto do efluente da primeira temperatura para a segunda temperatura, ser de 880°C ou mais.
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do calor ser trocado indiretamente do gás de síntese depois que o gás de síntese é utilizado para aquecer indiretamente o efluente para um condensado para produzir vapor em alta pressão.
8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de reagir pelo menos uma porção do hidrogênio e nitrogênio no gás de síntese de amónia para produzir um produto de amónia ocorre em um conversor de amónia.
9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o efluente compreende de 35% em moles a 39% em moles de hidrogênio, de 4% em moles a 5% em moles de monóxido de carbono, de 6% em moles a 8% em moles de dióxido de carbono, de 8% em moles a 10% em moles de metano, e de 42% em moles a 47% em moles de vapor.
10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura do hidrocarboneto e do vapor é aumentada monotonicamente para a primeira temperatura.
11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da temperatura do gás de síntese após o gás de síntese ser usado para o aquecimento indireto do efluente ser de 860°C a 900°C.
12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do um ou mais tubos contendo um catalisador ter um diâmetro interno de 40 mm a 115 mm.
13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gás de síntese ter uma temperatura de 1000°C.
14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gás de síntese ter uma temperatura de 1005°C.
15. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da relação entre o vapor e o hidrocarboneto na primeira zona de reação é de 2,5.
16. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de síntese pobre compreende menos de 500 ppm em peso do total de monóxido de carbono e dióxido de carbono.
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