ITMI20011553A1 - PROCESS FOR THE SUMMARY OF AMMONIA - Google Patents
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Description
TITOLO: “PROCESSO PER LA SINTESI DI AMMONIACA ” TITLE: "PROCESS FOR THE SYNTHESIS OF AMMONIA"
Descrizione Description
La presente invenzione si riferisce ad un processo per la sintesi di ammoniaca a partire dalla miscela di idrogeno e azoto che vengono posti a reagire in presenza dell’opportuno sistema catalitico, caratterizzato dal fatto che detta miscela di gas è ottenuta attraverso un processo di ossidazione parziale a basso tempo di contatto. The present invention refers to a process for the synthesis of ammonia starting from the mixture of hydrogen and nitrogen which are reacted in the presence of the appropriate catalytic system, characterized in that said gas mixture is obtained through a partial oxidation process low contact time.
La miscela di H2 e N2 per la sìntesi delTammoniaca viene prodotta dai processi chimici di ossidazione parziale (OP) non catalitica di idrocarburi pesanti (Falsetti, J.S, Hydrocarbon Technology International, 1993, p. 57) o da processi combinati di steam reforming (SR) e di autothermal reforming (ATR). The mixture of H2 and N2 for the synthesis of ammonia is produced by the chemical processes of non-catalytic partial oxidation (OP) of heavy hydrocarbons (Falsetti, J.S, Hydrocarbon Technology International, 1993, p. 57) or by combined steam reforming processes (SR ) and autothermal reforming (ATR).
Questi ultimi sono preferiti qualora si impieghino cariche idrocarburiche costituite da gas naturale o da nafta (Rostrup-Nielsen, J.R. “Catalytic Steam Reforming”, in Catalysis Science and Technology, J.R. Anderson, M. Boudart Eds. Voi. 5, Springer, Berlin 1988, p. 1 e T.S. Christensen LI. Primdahl, Hydrocarbon Processing, March, 1994 , p. 39). The latter are preferred when hydrocarbon fillers consisting of natural gas or naphtha are used (Rostrup-Nielsen, J.R. "Catalytic Steam Reforming", in Catalysis Science and Technology, J.R. Anderson, M. Boudart Eds. Vol. 5, Springer, Berlin 1988 , p. 1 and T.S. Christensen LI. Primdahl, Hydrocarbon Processing, March, 1994, p. 39).
La OP si realizza in una camera di combustione in cui gli idrocarburi e l’ossigeno vengono introdotti attraverso un bruciatore. La miscelazione avviene ad una temperatura in cui si innescano reazioni di fiamma che portano alla formazione di H, CO, CO2, HO e di sottoprodotti costituiti da composti carboniosi. Questi si formano per decomposizione della carica idrocarburica e vengono separati dal gas di sintesi e in alcuni casi reintrodotti nel bruciatore. The OP takes place in a combustion chamber where hydrocarbons and oxygen are introduced through a burner. The mixing takes place at a temperature in which flame reactions are triggered which lead to the formation of H, CO, CO2, HO and by-products consisting of carbonaceous compounds. These are formed by decomposition of the hydrocarbon charge and are separated from the synthesis gas and in some cases reintroduced into the burner.
La tecnologia di OP preferisce l’utilizzo di una corrente ossidante di ossigeno puro o contenente basse percentuali di azoto per ridurre la formazione dei composti carboniosi. OP's technology prefers the use of an oxidizing current of pure oxygen or containing low percentages of nitrogen to reduce the formation of carbonaceous compounds.
La complessità delle operazioni di lavaggio del gas di sintesi e la relativamente bassa efficienza delle operazioni di recupero termico (la corrente in uscita al reattore è ad una temperatura di circa 1400°C), costituiscono i principali punti deboli della OP che è peraltro l’unica in grado di impiegare cariche idrocarburiche pesanti per generare idrogeno. The complexity of the synthesis gas washing operations and the relatively low efficiency of the thermal recovery operations (the current leaving the reactor is at a temperature of about 1400 ° C), constitute the main weak points of the OP which is the only one capable of using heavy hydrocarbon charges to generate hydrogen.
L’impiego della OP nei processi di sintesi dell’ammoniaca prevede le seguenti operazioni unitarie: The use of the OP in ammonia synthesis processes involves the following unitary operations:
a) separazione dell’aria in ossigeno e azoto, b) ossidazione parziale non catalitica degli idrocarburi con ossigeno, c) rimozione dei residui carboniosi e recupero di calore dalla miscela dei prodotti, d) rimozione dei composti solforati, e) conversione del monossido di carbonio in idrogeno mediante la reazione di water gas shift (WGS), f) rimozione della CO2, g) lavaggio del CO residuo con azoto liquido, h) miscelazione dell’idrogeno e dell’azoto e invio della miscela alla sezione di sintesi dell’ammoniaca. a) separation of air into oxygen and nitrogen, b) non-catalytic partial oxidation of hydrocarbons with oxygen, c) removal of carbon residues and heat recovery from the product mixture, d) removal of sulfur compounds, e) conversion of monoxide carbon into hydrogen by means of the water gas shift reaction (WGS), f) removal of CO2, g) washing of residual CO with liquid nitrogen, h) mixing of hydrogen and nitrogen and sending the mixture to the synthesis section of ammonia.
Molto più diffuso rispetto alla OP, è l’utilizzo di processi combinati di SR e ATR. Much more widespread than the OP is the use of combined SR and ATR processes.
Come già accennato questa soluzione viene adottata preferibilmente qualora sia disponibile ima carica idrocarburica costituita da gas naturale o da nafta e queste condizioni si verificano nella maggior parte degli impianti di produzione dell’ammoniaca. As already mentioned, this solution is preferably adopted when a hydrocarbon feed consisting of natural gas or naphtha is available and these conditions occur in most ammonia production plants.
I processi di SR e ATR sono catalitici, consentono una notevole efficienza energetica e non richiedono l’impiego di unità di frazionamento aria. The SR and ATR processes are catalytic, allow for considerable energy efficiency and do not require the use of air separation units.
Più in particolare lo SR sfrutta una reazione altamente endotermica tra gli idrocarburi e il vapore che nel caso del metano può essere rappresentata dalla equazione More specifically, the SR exploits a highly endothermic reaction between hydrocarbons and steam which in the case of methane can be represented by the equation
CH4 + H20 = CO 3 H2 (DH° - 206 kJ/mole) CH4 + H20 = CO 3 H2 (DH ° - 206 kJ / mole)
Il calore necessario alla reazione viene prodotto in un forno in cui sono inseriti i tubi di reforming riempiti di catalizzatore che vengono scaldati per irraggiamento. La sezione convettiva del forno di reforming viene impiegata per fornire il calore necessario alla generazione di vapore e al pre-riscaldo di alcune correnti del processo di sintesi dell’ammoniaca. The heat necessary for the reaction is produced in an oven in which the reforming tubes filled with catalyst are inserted and heated by irradiation. The convective section of the reforming furnace is used to provide the heat necessary for the generation of steam and for the pre-heating of some streams of the ammonia synthesis process.
l’ATR tratta la corrente in uscita dallo stadio di SR e completa la conversione del metano effettuando delle reazioni di combustione con aria seguite da reazioni di SR e di WGS. Più in particolare all’ingresso dell’ATR sono posti un bruciatore e una camera di combustione in cui avvengono reazioni in fase omogenea gassosa tra gli effluenti dello SR e l’ossigeno dell’aria. Successivamente alla camera di combustione la miscela dei prodotti passa attraverso un letto catalitico in cui avvengono ulteriori reazioni di SR e di WGS. the ATR treats the output current from the SR stage and completes the methane conversion by carrying out combustion reactions with air followed by SR and WGS reactions. More specifically, at the entrance to the ATR there is a burner and a combustion chamber in which reactions take place in the gaseous homogeneous phase between the SR effluents and the oxygen in the air. Subsequently to the combustion chamber the mixture of products passes through a catalytic bed in which further reactions of SR and WGS take place.
Le reazioni che avvengono nell’ATR possono essere rappresentate nel caso del metano dalle seguenti equazioni: The reactions that occur in the ATR can be represented in the case of methane by the following equations:
CH4 + 3/202 = CO 2 H20 (DH° = - 519 kJ/mole) CH4 + 3/202 = CO 2 H20 (DH ° = - 519 kJ / mole)
che avviene nella camera di combustione which takes place in the combustion chamber
CH4 + H20 = CO 3 H20 (DH° = 206 kJ/mole) CH4 + H20 = CO 3 H20 (DH ° = 206 kJ / mole)
H20 CO = C02 + H2 (DH° = -41 kJ/mole) H20 CO = C02 + H2 (DH ° = -41 kJ / mole)
che avvengono nella zona catalitica posta successivamente alla zona di combustione. which take place in the catalytic zone located after the combustion zone.
La presenza del bruciatore e della camera di combustione, impone delle restrizioni sulla composizione della correnti dei reagenti; in particolare delle restrizioni sui rapporti vapore/carbonio e sulla presenza di azoto nella miscela ossidante. The presence of the burner and the combustion chamber imposes restrictions on the composition of the reactant streams; in particular, restrictions on vapor / carbon ratios and on the presence of nitrogen in the oxidizing mixture.
A bassi rapporti vapore/carbonio o nei casi in cui venga utilizzata aria o aria arricchita con quantitativi rilevanti di N2, si determina infatti la formazione di residui carboniosi che non possono essere tollerati dalla tecnologia ATR. At low vapor / carbon ratios or in cases where air or air enriched with significant quantities of N2 is used, the formation of carbon residues that cannot be tolerated by the ATR technology occurs.
La presenza di residui carboniosi provocherebbe la disattivazione del catalizzatore sottostante la zona di combustione e renderebbe necessario un sistema di purificazione del gas di sintesi analogo a quello impiegato dalla tecnologia di OP; il che a sua volta determinerebbe una diminuzione della efficienza energetica del processo. The presence of carbon residues would cause the deactivation of the catalyst underlying the combustion zone and would require a synthesis gas purification system similar to that used by the OP technology; which in turn would lead to a decrease in the energy efficiency of the process.
Per questa ragione l’ATR non tratta direttamente una corrente ossidante di idrocarburi e aria o aria arricchita ma viene utilizzato come “reformer” secondario successivamente alla unità di SR. For this reason, the ATR does not directly treat an oxidizing stream of hydrocarbons and enriched air or air but is used as a secondary "reformer" after the SR unit.
In questo caso le restrizioni sulla presenza di azoto e di vapore in alimentazione sono superate in quanto la miscela di reagenti contiene notevoli quantitativi di H2, CO, H2O e CO2 e di ridotti quantitativi di idrocarburi leggeri, per lo più costituiti da CH4, non reagito. In this case, the restrictions on the presence of nitrogen and steam in the feed are overcome as the mixture of reactants contains considerable quantities of H2, CO, H2O and CO2 and small quantities of light hydrocarbons, mostly consisting of unreacted CH4. .
Nel caso di impiego dei processi di SR e ATR la sequenza delle operazioni di sintesi dellammoniaca prevede: In the case of use of the SR and ATR processes, the sequence of the ammonia synthesis operations includes:
a) uno SR primario dalla carica idrocarburica desolforata, b) l’ATR secondario della corrente in uscita dal reforming primario impiegando aria come miscela ossidante, c) la conversione catalitica del monossido di carbonio in idrogeno mediante la reazione di WGS, d) la rimozione della C02, e) la metanazione per eliminare le ultime tracce di CO e C02, f) l’invio della miscela di H2 e N2 alla sezione di sintesi dell 'ammoniaca. a) a primary SR from the desulfurized hydrocarbon feed, b) the secondary ATR of the stream leaving the primary reforming using air as an oxidizing mixture, c) the catalytic conversion of carbon monoxide into hydrogen by the WGS reaction, d) the removal of C02, e) methanation to eliminate the last traces of CO and C02, f) sending the mixture of H2 and N2 to the ammonia synthesis section.
La tecnologia SR+ATR è largamente la più usata nella produzione dellammoniaca. SR + ATR technology is widely used in ammonia production.
L’invenzione secondo la presente domanda si riferisce ad un processo di produzione dell’ammoniaca in cui la miscela di idrogeno e azoto è ottenuta impiegando un processo di ossidazione parziale catalitica (OPC) a basso tempo di contatto, la cui realizzazione verrà nel seguito esemplificata da alcune particolari successioni di stadi operativi, dai quali tuttavia l’invenzione stessa non dovrà essere considerata limitata. The invention according to the present application refers to an ammonia production process in which the mixture of hydrogen and nitrogen is obtained using a low contact time partial catalytic oxidation (OPC) process, the implementation of which will be exemplified in the following. from some particular sequences of operative stages, from which however the invention itself should not be considered limited.
Differenze significative rispetto all’arte nota sono la possibilità di realizzare la sintesi dell’ammoniaca evitando il riciclo dell’azoto, ovvero la realizzazione dell’ossidazione parziale catalitica in combinazione con uno stadio ATR. Significant differences with respect to the known art are the possibility of carrying out the synthesis of ammonia avoiding the recycling of nitrogen, or rather the realization of partial catalytic oxidation in combination with an ATR stage.
Il processo di OPC si realizza impiegando correnti pre-miscelate di aria o aria arricchita ed idrocarburi e non richiede la presenza di una unità di SR. The OPC process is carried out using pre-mixed streams of air or enriched air and hydrocarbons and does not require the presence of an SR unit.
Il processo di OPC è interamente catalitico ed è effettuato in un reattore in cui non sono presenti ne un bruciatore ne una camera di combustione. The OPC process is entirely catalytic and is carried out in a reactor in which there is neither a burner nor a combustion chamber.
Il processo di OPC avviene ad alte velocità spaziali, comprese tra 10,000 e 1,000,000 h<-1 >e preferibilmente tra 50,000 e 500,000 h<-1 >e porta prevalemtemente alla produzione diretta di CO e 3⁄4 secondo la reazione [1] senza formazione intermedia di CO2 e H2O. The OPC process occurs at high spatial speeds, between 10,000 and 1,000,000 h <-1> and preferably between 50,000 and 500,000 h <-1> and mainly leads to the direct production of CO and 3⁄4 according to the reaction [1] without intermediate formation of CO2 and H2O.
CH4 1/02 = CO 2 H2 DH° = - 35.6 kJ/mole [ 1 ] CH4 1/02 = CO 2 H2 DH ° = - 35.6 kJ / mole [1]
CH4 202 = C02 2 H20 DH° = - 801.5 kJ/mole [2] CH4 202 = C02 2 H20 DH ° = - 801.5 kJ / mole [2]
Si evitano così i picchi di temperatura associati alle reazioni di combustione totale degli idrocarburi e si evitano le condizioni che nelle tecnologie di OP e ATR provocano la formazione di residui carboniosi o precursori di residui carboniosi. In this way, the temperature peaks associated with the reactions of total combustion of hydrocarbons are avoided and the conditions that in the OP and ATR technologies cause the formation of carbon residues or precursors of carbon residues are avoided.
Si evitano inoltre le restrizioni sulla composizione della miscela dei reagenti riguardanti la presenza di vapore e la necessità di impiegare ossigeno puro o aria fortemente arricchita come ossidante. Furthermore, restrictions on the composition of the reagent mixture concerning the presence of vapor and the need to use pure oxygen or strongly enriched air as oxidant are avoided.
I processi di produzione di gas di sintesi ad alta velocità spaziale sono oggetto di numerose pubblicazioni scientifiche e brevetti. High space velocity synthesis gas production processes are the subject of numerous scientific publications and patents.
L’influenza positiva delle condizioni di basso tempo di contatto nelle reazioni di produzione del gas di sintesi sono state evidenziate inizialmente da D.A. Hickmann e L.D. Schmidt (Science 1993, 259, 343) e da V.R Choudari, A.S. Mamman, S.D. Sansare (Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 31, 1189) e più recentemente da L. Basini, K. Aasberg Petersen, A. Guarinoni, M. Ostberg (Catalysis Today 2001, 64, 9). The positive influence of the low contact time conditions in the synthesis gas production reactions were initially highlighted by D.A. Hickmann and L.D. Schmidt (Science 1993, 259, 343) and by V.R Choudari, A.S. Mamman, S.D. Sansare (Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 31, 1189) and more recently by L. Basini, K. Aasberg Petersen, A. Guarinoni, M. Ostberg (Catalysis Today 2001, 64, 9).
In campo brevettuale si rileva che US 5,856,585 descrive un processo di produzione di gas di sintesi a basso tempo di contatto integrato a processi di sintesi di Fischer Tropsch, di sintesi del metanolo e del dimetil etere. I brevetto rivendica inoltre condizioni di processo che portano direttamente alla formazione contemporanea di formaldeide e di gas di sintesi. In the patent field it is noted that US 5,856,585 describes a synthesis gas production process with a low contact time integrated with Fischer Tropsch synthesis, methanol and dimethyl ether synthesis processes. The patent also claims process conditions that directly lead to the simultaneous formation of formaldehyde and synthesis gas.
WO 97/37929 descrive un reattore per effettuare reazioni a basso tempo di contatto per la produzione di gas di sintesi da idrocarburi e ossigeno o aria con una geometria conica adatta ad impedire la propagazione delle reazioni eterogenee nella corrente di reagenti pre-miscelati in condizioni di alta pressione. WO 97/37929 describes a reactor for carrying out reactions at low contact time for the production of synthesis gas from hydrocarbons and oxygen or air with a conical geometry suitable for preventing the propagation of heterogeneous reactions in the stream of pre-mixed reactants under conditions of high pressure.
US 5,648,582 rivendica un processo di ossidazione parziale catalitica a basso tempo di contatto realizzato impiegando catalizzatori costituiti da monolitici ceramici su cui sono depositati metalli nobili o nickel. US 5,648,582 claims a low contact time catalytic partial oxidation process carried out using catalysts consisting of ceramic monolithics on which noble metals or nickel are deposited.
US 5,654,491 estende le caratteristiche di reattività rivendicate nei brevetti precedenti a catalizzatori metallici con una trasparenza di almeno il 40%, tipicamente i catalizzatori metallici citati sono costituiti da reti di Pt -Rh. US 5,654,491 extends the reactivity characteristics claimed in the previous patents to metal catalysts with a transparency of at least 40%, typically the metal catalysts mentioned are constituted by networks of Pt -Rh.
WO 00/00425 e WO 00/00426 rivendicano un processo di OPC in cui sono presenti due strati di catalizzatori. Il primo strato costituito da catalizzatori contenenti Rh, il secondo strato con catalizzatori contenenti Ir, Os o Pt. WO 00/00425 and WO 00/00426 claim an OPC process in which two layers of catalysts are present. The first layer consists of catalysts containing Rh, the second layer with catalysts containing Ir, Os or Pt.
WO 01/32556 è un brevetto centrato sulle caratteristiche geometriche delle particelle di catalizzatore e rivendica un processo di OPC in cui il supporto ha un rapporto superficie/volume compreso tra 15 e 230 cm<-1 >e un diamtro compreso tra 200 e 2000 microns. WO 01/32556 is a patent centered on the geometric characteristics of the catalyst particles and claims an OPC process in which the support has a surface / volume ratio between 15 and 230 cm <-1> and a diameter between 200 and 2000 microns .
Questo documento si riferisce a processi di OPC a basso tempo di contatto fortemente integrati con la sezione di sintesi dell’ammoniaca e si basa sulla scoperta sperimentale che tali processi di OPC consentono di impiegare aria o aria arricchita ma contenente rilevanti percentuali di azoto, senza produrre residui carboniosi anche in assenza di vapore e con rapporti 02/C in alimentazione compresi tra 0.15 e 0.75 v/v. This document refers to low contact time OPC processes strongly integrated with the ammonia synthesis section and is based on the experimental discovery that these OPC processes allow the use of air or air enriched but containing relevant percentages of nitrogen, without producing carbon residues even in the absence of steam and with 02 / C feed ratios ranging from 0.15 to 0.75 v / v.
Queste caratteristiche dei processi di produzione di gas di sintesi e idrogeno mediante OPC consentono la definizione degli schemi di processo rappresentati nelle Figure 1-4, che come anticipato, hanno lo scopo di esemplificare il processo secondo la presente invenzione, che, per la sua natura, non va considerata limitata agli stessi. These characteristics of the synthesis gas and hydrogen production processes by OPC allow the definition of the process diagrams represented in Figures 1-4, which as anticipated, have the purpose of exemplifying the process according to the present invention, which, due to its nature , should not be considered limited to them.
In un primo schema, riportato in figura 1, il gas costituito da H2 e N2 necessario alla sintesi dell’ammoniaca viene prodotto da aria e da idrocarburi e vapore in un unico reattore di OPC a basso tempo di contatto. Il rapporto H2/N2 impiegato nella sintesi dell’ammoniaca viene raggiunto separando l’H2 non reagito dalla miscela dei prodotti di reazione. Tale separazione può essere ottenuta con un sistema di separazione a fibre cave oppure mediante PSA o separazioni che utilizzano metodi criogenici o altri sistemi a valle del reattore di sintesi dell’ammonica e riciclandolo nella corrente dei reagenti a valle dei reattori di WGS. In a first diagram, shown in Figure 1, the gas consisting of H2 and N2 necessary for the synthesis of ammonia is produced from air and hydrocarbons and steam in a single OPC reactor with a low contact time. The H2 / N2 ratio used in ammonia synthesis is achieved by separating the unreacted H2 from the mixture of reaction products. This separation can be achieved with a hollow fiber separation system or by PSA or separations using cryogenic methods or other systems downstream of the ammonium synthesis reactor and recycling it in the reactant stream downstream of the WGS reactors.
Più in particolare, in accordo allo schema di Figura 1, un flusso di aria 1 viene compresso in 2 a pressioni comprese tra 10 e 80 kg/cm<2 >e preferibimente a pressioni comprese tra 20 e 50 kg/cm<2 >e miscelato nella zone di ingresso al reattore di OPC 3 con una corrente di gas naturale 4 de-solforato e alla stessa pressione. Le due correnti sono pre-riscaldate in 5 e 6 a temperature comprese tra 25 e 400°C preferibilmente tra 100 e 300°C. I rapporti O2/C in alimentazione sono compresi tra 0.5 e 0.75 e preferibilmente tra 0.60 e 0.75 v/v. La corrente di ingresso al reattore di OPC 10 può anche contenere vapore 8 aggiunto in 9 anche se la sua presenza non è necessaria. La corrente di gas di sintesi prodotta dal reattore di OPC 10 ha una temperatura compresa tra 700 e 1200°C e preferibilmente compresa tra 800 e 1100°C e viene raffreddata a temperature comprese tra 200 e 500°C e preferibilmente tra 300 e 400°C negli scambiatori 5, 6 e 7 e miscelata con una corrente di vapore 12 in un miscelatore 11. Dopo la miscelazione il flusso di gas di sintesi che contiene un rapporto vapore/carbonio compreso tra 1.5 e 4, preferibilmente compreso tra 2 e 3.5 v/v, viene introdotto in un primo reattore di WGS 13. La temperatura del flusso di gas in uscita al reattore di WGS 13 viene raffreddata in 14 a valori compresi tra 50 e 300°C e preferibilmente tra 100 e 250°C e viene introdotta in un secondo reattore di WGS 15 che permette di ridurre ulteriormente la percentuale di CO a valori tipicamente al di sotto dello 0.3% v/v. La corrente in uscita dal reattore di WGS 15 viene quindi raffreddata in 16, e dopo condensazione e separazione del vapore in 17 è inviata ad una sezione di separazione della C02 (decarbonatazione) 18 e successivamente ad uno stadio di metanazione 19 che riduce ulteriormente il contenuto di CO a valori al di sotto delle 2 ppm. Il gas contiene ora H2, N2 in rapporti compresi tra 0.75 e 1.2 v/v e percentuali di Ar al di sotto dello 0.8% e viene miscelato con H2 in 20. L’ H2 proviene dalla sezione di sintesi 22 e di separazione 23 del’ammoniaca e viene separato in da N2, CH4 e Ar in 24. Dopo la miscelazione il gas che ha un rapporto H2/N2 compreso tra 1.5 e 3.5 e preferìbilmente tra 2 e 3 viene compresso in 21 a pressioni tra 50 e 500 kg/cm e preferibilmente tra 100 e 400 kg/cm<2 >e inviato alla sezione di sintesi deU’ammoniaca rappresentata dal quadrato 22. La miscela ad alta pressione di N2, CH4 e Ar proveniente dal sistema di separazione 24 viene scaldata nello scabiatore 25 ed espansa in 26 a pressioni tra 20 e 40 ATM recuperando energia. Qualora la corrente contenga residui di metano rilevanti può essere combusta in 27 con aria compressa in 28 e ulteriormente espansa in 29 recuperando energia. More specifically, according to the diagram of Figure 1, an air flow 1 is compressed into 2 at pressures between 10 and 80 kg / cm <2> and preferably at pressures between 20 and 50 kg / cm <2> and mixed in the inlet zones to the reactor of OPC 3 with a stream of natural gas 4 de-sulphured and at the same pressure. The two streams are pre-heated in 5 and 6 at temperatures between 25 and 400 ° C, preferably between 100 and 300 ° C. The supply O2 / C ratios are comprised between 0.5 and 0.75 and preferably between 0.60 and 0.75 v / v. The inlet stream of the OPC 10 reactor may also contain steam 8 added to 9 even if its presence is not necessary. The synthesis gas stream produced by the OPC 10 reactor has a temperature between 700 and 1200 ° C and preferably between 800 and 1100 ° C and is cooled to temperatures between 200 and 500 ° C and preferably between 300 and 400 ° C in exchangers 5, 6 and 7 and mixed with a steam stream 12 in a mixer 11. After mixing, the synthesis gas stream containing a steam / carbon ratio between 1.5 and 4, preferably between 2 and 3.5 v / v, is introduced into a first reactor of WGS 13. The temperature of the gas flow leaving the reactor of WGS 13 is cooled in 14 to values between 50 and 300 ° C and preferably between 100 and 250 ° C and is introduced in a second reactor of WGS 15 which allows to further reduce the percentage of CO to values typically below 0.3% v / v. The stream leaving the WGS reactor 15 is then cooled in 16, and after condensation and separation of the steam in 17 it is sent to a C02 separation section (decarbonation) 18 and subsequently to a methanation stage 19 which further reduces the content of CO at values below 2 ppm. The gas now contains H2, N2 in ratios between 0.75 and 1.2 v / v and percentages of Ar below 0.8% and is mixed with H2 in 20. The H2 comes from the synthesis section 22 and the separation section 23 of ammonia and is separated in from N2, CH4 and Ar in 24. After mixing the gas which has an H2 / N2 ratio between 1.5 and 3.5 and preferably between 2 and 3 is compressed in 21 at pressures between 50 and 500 kg / cm and preferably between 100 and 400 kg / cm <2> and sent to the ammonia synthesis section represented by square 22. The high pressure mixture of N2, CH4 and Ar coming from the separation system 24 is heated in the scabiator 25 and expanded in 26 at pressures between 20 and 40 ATMs recovering energy. If the stream contains significant methane residues, it can be combusted in 27 with compressed air in 28 and further expanded in 29, recovering energy.
In un secondo schema riportato in Figura 2, si impiegano correnti pre-miscelate di idrocarburi e di aria arricchita. In a second scheme shown in Figure 2, pre-mixed streams of hydrocarbons and enriched air are used.
L’arricchimento dell’aria può essere effettuato sia miscelando ossigeno puro con aria arricchita sia utilizzando sistemi di arricchimento dell’aria quali quelli descritti in EP 0636845A1, e in US 6,247,333 Bl. Air enrichment can be carried out either by mixing pure oxygen with enriched air or by using air enrichment systems such as those described in EP 0636845A1, and in US 6,247,333 Bl.
In questo secondo schema di processo, il rapporto H2/N2 in alimentazione alla sezione di sintesi dell’ammoniaca è definito dal rapporto O2/N2 della corrente di aria arricchita, O2/C e S/C in entrata al reattore di OPC. In this second process scheme, the H2 / N2 ratio in feeding to the ammonia synthesis section is defined by the O2 / N2 ratio of the enriched air stream, O2 / C and S / C entering the OPC reactor.
Più in particolare referendoci alla Figura 2. Un flusso di aria arricchita lcon percentuali di ossigeno comprese tra 21 e 95% e preferibilmente tra 30 e 80% viene compresso in 2 a pressioni comprese tra 10 e 100 kg/cm<2 >e preferibimente a pressioni comprese tra 20 e 80 kg/cm<2 >e miscelato nella zone di ingresso al reattore di OPC 3 con una corrente di gas naturale 4 de-solforato e alla stessa pressione. Le due correnti sono pre-riscaldate in 5 e 6 a temperature comprese tra 25 e 400°C preferibilmente tra 100 e 300°C. I rapporti O2/C in alimentazione sono compresi tra 0.5 e 0.75 e preferibilmente tra 0.65 e 0.75 v/v. La corrente di ingresso al reattore di OPC 10 può anche contenere vapore 8 aggiunto in 9 anche se la sua presenza non è necessaria. La corrente di gas di sintesi prodotta dal reattore di OPC 10 ha una temperatura compresa tra 700 e 1200°C e preferibilmente compresa tra 800 e 1100°C e viene raffreddata a temperature comprese tra 200 e 500°C e preferibilmente tra 300 e 400°C negli scambiatori 5, 6 e 7 e miscelata con una corrente di vapore 12 in un miscelatore 11. Dopo la miscelazione il flusso di gas di sintesi che contiene un rapporto vapore/carbonio compreso tra 1.5 e 4, preferibilmente compreso tra 2 e 3.5 v/v, viene introdotto in un primo reattore di WGS 13. La temperatura del flusso di gas in uscita al reattore di WGS 13 viene raffreddata in 14 a valori compresi tra 50 e 300°C e preferibilmente tra 100 e 250°C e viene introdotta in un secondo reattore di WGS 15 che permette di ridurre ulteriormente la percentuale di CO a valori tipicamente al di sotto dello 0.3% v/v. La corrente in uscita dal reattore di WGS 15 viene quindi raffreddata in 16, e dopo condensazione e separazione del vapore in 17 dal gas viene eliminata la CO2 in 18. La corrente viene poi inviata ad un metanatore 19 che riduce ulteriormente il contenuto di CO a valori al di sotto delle 2 ppm. 13 gas contiene ora H2, N2 in rapporti compresi tra 0.75 e 3.5 v/v e percentuali di Ar al di soto dello 0.8% viene eventualmente miscelato con N2 in 20, viene compresso in 21 a pressioni tra 50 e 500 kg/cm<2 >e preferibilmente tra 100 e 400 kg/cm<2 >e inviato alla sezione di sintesi dell’ ammoniaca rappresentata dal quadrato 22 e alla sezione di separazione dell'ammoniaca 23. More specifically, referring to Figure 2. A flow of enriched air with oxygen percentages between 21 and 95% and preferably between 30 and 80% is compressed in 2 at pressures between 10 and 100 kg / cm <2> and preferably at pressures ranging from 20 to 80 kg / cm <2> and mixed in the OPC 3 reactor inlet zone with a stream of natural gas 4 de-sulphured and at the same pressure. The two streams are pre-heated in 5 and 6 at temperatures between 25 and 400 ° C, preferably between 100 and 300 ° C. The supply O2 / C ratios are comprised between 0.5 and 0.75 and preferably between 0.65 and 0.75 v / v. The inlet stream of the OPC 10 reactor may also contain steam 8 added to 9 even if its presence is not necessary. The synthesis gas stream produced by the OPC 10 reactor has a temperature between 700 and 1200 ° C and preferably between 800 and 1100 ° C and is cooled to temperatures between 200 and 500 ° C and preferably between 300 and 400 ° C in exchangers 5, 6 and 7 and mixed with a steam stream 12 in a mixer 11. After mixing, the synthesis gas stream containing a steam / carbon ratio between 1.5 and 4, preferably between 2 and 3.5 v / v, is introduced into a first reactor of WGS 13. The temperature of the gas flow leaving the reactor of WGS 13 is cooled in 14 to values between 50 and 300 ° C and preferably between 100 and 250 ° C and is introduced in a second reactor of WGS 15 which allows to further reduce the percentage of CO to values typically below 0.3% v / v. The stream leaving the WGS reactor 15 is then cooled in 16, and after condensation and separation of the steam in 17 from the gas the CO2 is eliminated in 18. The stream is then sent to a methanator 19 which further reduces the CO content to values below 2 ppm. 13 gas now contains H2, N2 in ratios between 0.75 and 3.5 v / v and percentages of Ar below 0.8% is possibly mixed with N2 in 20, is compressed in 21 at pressures between 50 and 500 kg / cm <2> and preferably between 100 and 400 kg / cm <2> and sent to the ammonia synthesis section represented by square 22 and to the ammonia separation section 23.
In un terzo schema rappresentato in Figura 3, vengono impiegati due reatori di OPC in serie o un reatore di OPC primario e un reatore ATR secondario. In questo caso in uno dei due reatori viene impiegata una corrente ossidante di aria e nel secondo una corrente ossidante costituita da aria arricchita. Questo schema di processo è reso possibile dalla capacità del reatore di OPC di operare senza produrre residui caiboniosi anche a rapporti O2/C < 0.5 v/v utilizzando aria o aria arricchita. In a third scheme shown in Figure 3, two OPC reactors are used in series or a primary OPC reactor and a secondary ATR reactor. In this case an oxidizing stream of air is used in one of the two reactors and in the second an oxidizing stream consisting of enriched air. This process scheme is made possible by the ability of the OPC reactor to operate without producing caibonous residues even at O2 / C ratios <0.5 v / v using air or enriched air.
Più in particolare riferendoci allo schema di Figura 3, un flusso di aria 1 viene compresso in 2 a pressioni comprese tra 10 e 80 kg/cm<2 >e preferibimente a pressioni comprese tra 20 e 50 kg/cm<2 >e miscelato in 3 nella zone di ingresso al reatore di OPC 10 con una corrente di gas naturale 4 de-solforato e alla stessa pressione. Le due correnti sono pre-riscaldate in 5 e 6 a temperature comprese tra 25 e 400°C preferibilmente tra 100 e 300°C. I rapporti 02/C in alimentazione sono compresi tra 0.15 e 0.50 e preferibilmente tra 0.20 e 0.40 v/v. La corrente di ingresso al reatore di OPC 10 può anche contenere vapore 8 aggiunto in 9 anche se la sua presenza non è necessaria. La corrente di gas di sintesi prodotta dal reatore di OPC 10 ha una temperatura compresa tra 400 e 950°C e preferibilmente compresa tra 500 e 850°C e viene inviata dopo miscelazione con ossigeno o aria fortemente arricchita in 11 e introdotta nel reatore 12 che può essere un ulteriore reatore di OPC o un ATR. La quantità di ossigeno aggiunta in 11 è definità in modo da ridurre la % di CH4 in uscita al reatore 12 al di sotto dello 0.8% e preferibilmente al di sotto dello 0.5% v/v. Il flusso di gas in uscita dal reattore 12 viene raffreddato negli scambiatori 5-7, 24 e miscelato in 14 con vapore e viene introdotto in un primo reattore di WGS 15. Il flusso di gas in uscita dal reattore di WGS 15 viene raffreddato in 16 a valori compresi tra 50 e 300°C e preferibilmente tra 100 e 250°C e viene introdotta in un secondo reattore di WGS 17 che permette di ridurre ulteriormente la percentuale di CO a valori tipicamente al di sotto dello 0.3% v/v. La corrente in uscita dal reattore di WGS 17 viene quindi raffreddata in 18, e dopo condensazione e separazione del vapore in 19 e inviata ad uno stadio di rimozione della CO220 e successivamente ad un metanatore 21 che riduce ulteriormente il contenuto di CO a valori al di sotto delle 2 ppm. Il gas contiene ora H2, N2 in rapporti compresi tra 0.75 e 3.5 v/v e percentuali di Ar al di sotto dello 0.8% viene compresso in 22 a pressioni tra 50 e 500 kg/cm e preferibilmente tra 100 e 400 kg/cm e inviato alla sezione di sintesi e di separazione dell’ ammoniaca rappresentate rispettivamente dal quadrato 23 e dal quadrato 24. More specifically, referring to the diagram of Figure 3, an air flow 1 is compressed into 2 at pressures between 10 and 80 kg / cm <2> and preferably at pressures between 20 and 50 kg / cm <2> and mixed in 3 in the inlet zones to the reacor of OPC 10 with a stream of natural gas 4 de-sulphured and at the same pressure. The two streams are pre-heated in 5 and 6 at temperatures between 25 and 400 ° C, preferably between 100 and 300 ° C. The 02 / C ratios in feeding are comprised between 0.15 and 0.50 and preferably between 0.20 and 0.40 v / v. The inlet stream of the OPC 10 reactor may also contain vapor 8 added to 9 even if its presence is not necessary. The synthesis gas stream produced by the OPC 10 reactor has a temperature between 400 and 950 ° C and preferably between 500 and 850 ° C and is sent after mixing with oxygen or strongly enriched air in 11 and introduced into the reacor 12 which it can be an additional OPC reactor or an ATR. The amount of oxygen added in 11 is defined in such a way as to reduce the% of CH4 leaving the reactor 12 below 0.8% and preferably below 0.5% v / v. The gas flow leaving the reactor 12 is cooled in the exchangers 5-7, 24 and mixed in 14 with steam and introduced into a first reactor of WGS 15. The gas flow leaving the reactor of WGS 15 is cooled in 16 at values between 50 and 300 ° C and preferably between 100 and 250 ° C and is introduced into a second reactor of WGS 17 which allows to further reduce the percentage of CO to values typically below 0.3% v / v. The stream leaving the reactor of WGS 17 is then cooled in 18, and after condensation and separation of the steam in 19 and sent to a CO2 removal stage20 and subsequently to a methanator 21 which further reduces the CO content to values below below 2 ppm. The gas now contains H2, N2 in ratios between 0.75 and 3.5 v / v and percentages of Ar below 0.8% is compressed in 22 at pressures between 50 and 500 kg / cm and preferably between 100 and 400 kg / cm and sent to the ammonia synthesis and separation section represented by square 23 and square 24 respectively.
Un quarto schema descritto nella Figura 4, prevede una inversione delle correnti ossidanti di aria e aria arricchita rispetto allo schema di Figura 3. Più in particolare lo schema prevede un primo stadio di OPC in cui si effettua la reazione tra una corrente di ossigeno puro o di aria arricchita con rapporto O2/C compreso tra 0.15 e 0.5 v/v e più preferibilmente tra 0.2 e 0.45 v/v e con rapporti vapore/caibonio compresi tra 0 e 1 e un successivo stadio realizzato in un ulteriore reattore di OPC o in un reattore ATR in cui viene completata l’ossidazione parziale degli idrocarburi con aria. A fourth scheme described in Figure 4, provides for an inversion of the oxidizing currents of air and enriched air with respect to the scheme of Figure 3. More specifically, the scheme provides for a first stage of OPC in which the reaction between a stream of pure oxygen or of enriched air with an O2 / C ratio between 0.15 and 0.5 v / v and more preferably between 0.2 and 0.45 v / v and with steam / caibonium ratios between 0 and 1 and a subsequent stage carried out in a further OPC reactor or in a reactor ATR in which the partial oxidation of hydrocarbons with air is completed.
Rispetto alle soluzioni tecnologiche note, gli schemi di processo qui sopra descritti presentano i seguenti vantaggi: Compared to known technological solutions, the process diagrams described above have the following advantages:
a) possibilità di impiegare un gran numero di cariche idrocarburiche; in pratica possono essere impiegate cariche idrocarburiche gassose o liquide anche in assenza di un passaggio di desolforazione precedente alla reazione di OPC b) semplicità costruttiva e operativa (nei reattori non sono presenti bruciatori ne camere di combustione, non si formano residui carboniosi) a) possibility of using a large number of hydrocarbon fillers; in practice, gaseous or liquid hydrocarbon fillers can be used even in the absence of a desulphurization step prior to the OPC reaction b) simplicity of construction and operation (in the reactors there are no burners or combustion chambers, no carbon residues are formed)
c) non vi è necessità di impiegare forni di pre-riscaldo delle correnti dei reagenti e quindi non vi sono emissioni di CO2 associate alle operazioni di preriscaldo. c) there is no need to use furnaces to pre-heat the reagent streams and therefore there are no CO2 emissions associated with the pre-heating operations.
d) grande flessibilità della capacità dell’impianto che può essere adattata alle variazioni delle necessità produttive e delle caratteristiche delle correnti di alimentazione d) great flexibility of the plant capacity that can be adapted to changes in production needs and the characteristics of the supply currents
e) bassi costi di investimento in quanto i reattori sono di piccole dimensioni contengono modesti quantitativi di catalizzatore e) low investment costs as the reactors are small and contain modest quantities of catalyst
f) bassi consumi energetici conseguenti alla possibilità di entrare a bassa temperatura nei reattori di produzione di gas di sintesi e di recuperare efficacemente il calore in uscita dagli stessi. f) low energy consumption resulting from the possibility of entering the synthesis gas production reactors at low temperature and effectively recovering the heat coming out of them.
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