KR102258543B1 - 우레아 합성 프로세스를 위해 암모니아 가스와 co2 를 제조하는 방법 - Google Patents

우레아 합성 프로세스를 위해 암모니아 가스와 co2 를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 CO2 를 제조하는 프로세스에 관한 것이다. 본 발명의 프로세스에서, 메인 구성성분으로서 질소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 프로세스 가스 (2) 는 적어도 혼합 구성성분으로서 고로 가스를 포함하거나 고로 가스로 이루어지는 야금 가스 (1) 로부터 생성된다. 프로세스 가스 (2) 는 분류되어 CO2 구성성분을 포함하는 가스 스트림 (6) 과 N2 와 H2 로 본질적으로 이루어지는 혼합 가스 (5) 를 제공한다. 우레아 합성 (9) 에 적합한 암모니아 가스 (8) 는 암모니아 합성 (7) 에 의해 가스 혼합물 (5) 로부터 생성된다. CO2 는 우레아 합성에 적합한 순도와 양으로 CO2-함유 가스 스트림으로부터 분기된다.

Description

우레아 합성 프로세스를 위해 암모니아 가스와 CO2 를 제조하는 방법{METHOD FOR PREPARATION OF AMMONIA GAS AND CO2 FOR A UREA SYNTHESIS PROCESS}
본 발명은 우레아 합성을 위해 암모니아와 CO2 를 제조하는 프로세스에 관한 것이다.
산업적으로, 우레아는 중간체 카르바민산암모늄을 통해 NH3 및 CO2 로부터 얻어진다. 충분히 높은 반응 압력에 의해 분리가 회피될 때에, 카르바민산암모늄은 급속하게 그리고 완전하게 형성된다. 발열적으로 형성된 카르바민산암모늄은 저압의 후속 분해 단계들에서 우레아로 흡열적으로 변환되고, 과잉의 가스들은 반응기로 다시 재순환될 수 있다. 카르바민산암모늄을 형성하기 위한 반응은 과잉의 NH3 를 이용하여 실시되고, 실제로 약 4 의 NH3/CO2 의 분자비가 흔히 선택된다.
우레아 합성을 위한 원료들은 CO2 와 NH3 이다. 이산화탄소가 암모니아의 합성에서 이차적인 구성성분으로서 얻어지기 때문에, 우레아 플랜트는 흔히 암모니아 플랜트와 함께 작동된다. 궁극적으로 프로세스 단계들, 즉 수소 생성 단계, 암모니아 생성 단계 및 우레아 합성 단계에 의해 천연 가스, 공기 및 물로부터 우레아를 생성하는 플랜트들이 사용된다.
이러한 배경 기술을 고려하여, 본 발명의 목적은 우레아 합성을 위한 가스 상태의 시작 물질들을 생성하기 위하여 효율적인 프로세스를 제공하는 것이다. 이 프로세스를 작동시키기 위하여, 산업 프로세스에서 폐기물로서 얻어지는 생가스 (raw gas) 가 활용되어야 한다. 생가스와 프로세스 단계들은, 생가스의 가스 구성성분이 우레아 합성에 필요한 비율의 암모니아와 CO2 로 실질적으로 완전히 변환되도록 선택되어야 한다.
본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 청구항 1 에서 청구되는 바와 같은 프로세스를 제공한다. 본 발명의 프로세스의 유리한 실시형태들은 청구항 2 내지 청구항 9 에서 설명된다.
본 발명에 따라, 적어도 혼합 구성성분으로서 고로 가스를 포함하거나 고로 가스로 이루어지는 야금 가스는 우레아 합성을 위해 가스 상태의 시작 물질들을 제조하는데 사용된다. 고로 가스는 고로에서 선철의 제조 시에 얻어진다. 고로에서, 선철은 철광들, 첨가제들과 코크스, 및 석탄, 오일 또는 가스와 같은 다른 환원제들로부터 얻어진다. 환원 반응들의 생성물들로서, CO2, 수소 및 수증기가 필연적으로 형성된다. 고로 프로세스로부터 빠져 나온 고로 가스는, 전술한 성분들에 더하여, 고함량의 질소를 갖는다. 고로 가스의 조성은 공급원료들과 작동 모드에 의존하고 또한 변동될 수 있다. 하지만, 고로 가스는 35 ~ 60 체적% 의 N2, 20 ~ 30 체적% 의 CO, 20 ~ 30 체적% 의 CO2 및 2 ~ 15 체적% 의 H2 를 일반적으로 포함한다.
또, 고로 가스와 전로 가스로 구성된 혼합 가스로 이루어지거나 고로 가스, 전로 가스 및 코크스 오븐 가스로 구성된 혼합 가스로 이루어지는 야금 가스는 본 발명의 프로세스에 사용될 수 있다. 로우 스틸 (raw steel) 으로의 선철의 변환 시에 전로 제강소에서 얻어지는 전로 가스는 고함량의 CO 를 가지고, 또한 질소, 수소 및 CO2 를 포함한다. 통상적인 전로 가스 조성은 50 ~ 70 체적% 의 CO, 10 ~ 20 체적% 의 N2, 약 15 체적% 의 CO2 및 약 2 체적% 의 H2 를 갖는다. 코크스 오븐 가스는 석탄의 코킹 시에 얻어지고, 또한 높은 수소 함량과 인지가능한 양의 CH4 를 갖는다. 코크스 오븐 가스는 55 ~ 70 체적% 의 H2, 20 ~ 30 체적% 의 CH4, 5 ~ 10 체적% 의 N2 및 5 ~ 10 체적% 의 CO 를 통상적으로 포함한다. 코크스 오븐 가스는 CO2, NH3 및 H2S 의 비율들을 추가적으로 포함한다.
본 발명의 프로세스에서, 메인 구성성분으로서 질소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 프로세스 가스는 야금 가스로부터 생성되고, 이러한 프로세스 가스는 후속해서 분류되어, CO2 구성성분을 포함하는 가스 스트림과 N2 및 H2 로 본질적으로 이루어지는 가스 혼합물을 제공한다. 우레아 합성에 적합한 암모니아 가스는 암모니아 합성에 의해 가스 혼합물로부터 생성된다. CO2 는 우레아 합성에 적합한 순도와 양으로 CO2-함유 가스 스트림으로부터 분기된다. 야금 가스의 컨디셔닝과 설명된 분리 단계들은, 암모니아와 CO2 가 우레아 합성에 필요한 비율들로 형성되도록 그리고 야금 가스가 우레아 합성에 필요한 가스 상태의 출발 물질들을 거의 완전하게 제조하기 위해 활용될 수 있도록 서로 매칭 (matched) 될 수 있다.
프로세스 가스를 생성하기 위한 야금 가스의 사용은 가스 정화에 의해 유리하게는 선행된다. 가스 정화는 원치 않는 성분들, 특히 타르, 황과 황 화합물들, 방향족 탄화수소 (BTX) 및 고비등 탄화수소를 분리하는 역할을 한다.
야금 가스의 CO 구성성분은 워터 가스 이동 반응에 의해 CO2 및 H2 로 변환될 수 있어서, 메인 구성성분으로서 질소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 프로세스 가스를 생성할 수 있다.
후속하여, 프로세스 가스는 바람직하게는 압력 스윙 흡착 (PSA; pressure swing adsorption) 에 의해 분류되어, 질소와 수소를 본질적으로 포함하는 가스 혼합물과 CO2 구성성분을 포함하는 오프가스 (또한, PSA 오프가스라 함) 를 제공한다. 종래 기술에서 공지되는 압력 스윙 흡착 (PSA) 의 용도는 수소의 단리 (isolation) 와 정화이다. 본 발명의 프로세스의 맥락에서, 압력 스윙 흡착은 원하는 H2 와 N2 의 농도비가 달성되도록 선행하는 가스 컨디셔닝과 조합하여 작동된다. 그러므로, 본 발명의 프로세스의 일 양태는 적어도 혼합 구성성분으로서 고로 가스를 포함하거나 고로 가스로 이루어지는 야금 가스로부터 암모니아 합성에 적합한 합성 가스를 생성하도록 압력 스윙 흡착과의 가스 컨디셔닝, 특히 워터 가스 이동 반응의 커플링이다. 또, 암모니아 합성에 바람직하지 않은 이차적인 구성성분들, 예컨대 아르곤, 메탄 또는 일산화탄소는 제거될 수 있거나, 또는 압력 스윙 흡착에 의해 감소된 농도를 가질 수 있다.
압력 스윙 흡착은 프로세스 가스의 CO2 구성성분과 임의의 잔류 비율들의 CO 를 포함하는 에너지가 풍부한 오프가스 (PSA 오프가스) 를 생성한다. 우레아 합성을 위한 CO2 는 PSA 오프가스로부터 얻어진다. 본 발명의 프로세스의 바람직한 실시형태에서, CO2 구성성분은 압력 스윙 흡착으로부터의 오프가스 (PSA 오프가스) 로부터 분리되고, 후속해서 우레아 합성을 위한 고농도의 CO2 를 포함하는 가스와 보다 낮은 농도의 CO2 를 갖는 테일가스로 분리된다.
또한, 본 발명은 우레아를 제조하는 프로세스를 제공하고, 카르바민산암모늄은 과잉의 암모니아를 이용하여 암모니아 가스와 CO2 로부터 생성되고, 이러한 카르바민산암모늄은 물과 우레아로 분해된다. 본 발명에 따라, 우레아 합성에 필요한 암모니아 가스와, 마찬가지로 우레아 합성에 필요한 CO2 는 적어도 합성 구성성분으로서 고로 가스를 포함하거나 고로 가스로 이루어지는 야금 가스로부터 생성된다. 우레아 합성을 위한 가스 상태의 시작 물질들이 야금 가스로부터 전적으로 얻어진다는 것은 본 발명의 프로세스에 필수적이다. 우레아 합성을 위한 가스 상태의 시작 물질들은 추가로 전술한 프로세스에 의해 획득가능하다.
본 발명은 단지 일 작업 예를 도시하는 도면의 도움으로 이하에서 설명될 것이다.
도 1 은 매우 간략화된 블록 다이어그램의 형태로 우레아 합성을 위해 가스 상태의 출발 물질들을 제조하는 프로세스를 개략적으로 도시한다.
메인 구성성분으로서 질소 (N2), 수소 (H2) 및 이산화탄소 (CO2) 를 포함하는 프로세스 가스 (2) 는 적어도 혼합 구성성분으로서 고로 가스를 포함하고 또한 작업 예에서 도면에 도시된 프로세스에 의해 고로 가스로 이루어지는 야금 가스 (1) 로부터 생성된다.
예를 들어, 고로 가스 (1) 는 50 체적% 의 N2, 24 체적% 의 CO2, 21 체적% 의 CO 및 약 4 체적% 의 H2 의 통상적인 조성을 갖는다. 원치 않는 성분들, 예를 들어, 타르, 황과 황 화합물들, 방향족 탄화수소 (BTX) 및 고비등 탄화수소가 분리되는 가스 정화 (3) 이후에, 고로 가스로 이루어지는 야금 가스 (1) 는 가스 컨디셔닝 (4) 에 의해 N2, H2 및 CO2 로 주로 이루어지는 프로세스 가스 (2) 로 변환된다. 특히, 가스 컨디셔닝 (4) 은 야금 가스 (1) 의 CO 구성성분이 워터 가스 이동 반응에 의해 CO2 와 H2 로 변환되는 CO 변환을 포함한다.
CO + H2O
Figure 112016066369427-pct00001
CO2 + H2
변환 또는 워터 가스 이동 반응 후에, 프로세스 가스는 약 37 체적% 의 CO2, 21 체적% 의 H2 및 42 체적% 의 N2 의 조성을 갖는다.
프로세스 가스 (2) 는 압력 스윙 흡착 (16; PSA) 에 의해 분류되어, N2 와 H2 로 본질적으로 이루어지는 가스 혼합물 (5) 과 CO2 구성성분을 포함하는 오프가스 (6) 를 제공한다. 우레아 합성에 적합한 암모니아 가스 (8) 는 암모니아 합성 (7) 에 의해 N2 및 H2 를 포함하는 가스 혼합물로부터 생성된다. 암모니아 합성 (7) 에서, 수소와 질소로 구성된 가스 혼합물은 예를 들어 150 ~ 200 bar 의 압력에서 그리고 350 ~ 550 ℃ 의 반응 온도에서 산화철이 혼합된 촉매를 통해 반응될 수 있다.
우레아 합성 (9) 을 위한 CO2 는 압력 스윙 흡착으로부터의 오프가스 (6) 로부터 얻어진다. 도면에 도시된 프로세스 개요에 따라, CO2 구성성분 (11) 이 제 1 분리 단계 (10) 에서 압력 스윙 흡착으로부터의 오프가스 (6) 로부터 분리된다. 후속해서, 고농도의 이산화탄소를 포함하는 가스 (13) 와 저농도의 CO2 를 갖는 테일가스 (14) 로의 분리는 제 2 분리 단계 (12) 에서 실시된다. 특히, 가스 (13) 는 우레아 합성에 필요한 순도의 이산화탄소이다.
CO2 및 NH3 는 우레아 합성 (9) 에 필요한 비율들로 우레아 플랜트로 이송된다. 우레아 플랜트에서, 카르바민산암모늄은 과잉의 암모니아를 이용하여 생성되고, 카르바민산암모늄은 저압에서의 후속 분해 단계들에서 우레아 (15) 로 변환된다.
또한, 도면의 도움으로 도시된 프로세스는 야금 가스 (1) 로서 고로 가스, 전로 가스 및 코크스 오븐 가스의 가스 혼합물을 이용하여 또는 고로 가스와 전로 가스의 가스 혼합물을 이용하여 작동될 수 있다.

Claims (10)

  1. 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스로서,
    고로 가스와 전로 가스를 포함하는 혼합 가스로 이루어지는 야금 가스로부터 질소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 프로세스 가스를 생성하는 단계;
    이산화탄소를 포함하는 제 1 가스 스트림 및 질소와 수소로 이루어지는 제 2 가스 혼합물을 제공하기 위해 상기 프로세스 가스를 분류하는 단계;
    상기 제 2 가스 혼합물로부터 암모니아 합성에 의해 상기 우레아 합성에 적합한 암모니아 가스를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 가스 스트림으로부터 상기 우레아 합성에 적합한 순도와 양으로 이산화탄소를 분기하는 단계를 포함하고,
    상기 분기하는 단계는,
    상기 제 1 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림이 분리되는 제 1 분리 단계; 및
    상기 제 1 분리 단계로부터의 상기 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림이 우레아 합성에 적합한 이산화탄소를 포함하는 제 3 가스 스트림과 테일가스로 분리되는 제 2 분리 단계를 포함하는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 가스는, 코크스 오븐 가스를 더 포함하는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 야금 가스는, 상기 프로세스 가스를 생성하는데 사용되기 전에 정화되는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 야금 가스는, 일산화탄소 구성성분을 포함하고,
    상기 야금 가스의 일산화탄소 구성성분은, 워터 가스 이동 반응에 의해 이산화탄소와 수소로 변환되는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 가스는, 상기 제 1 가스 스트림 및 상기 제 2 가스 혼합물을 제공하기 위해 압력 스윙 흡착 (pressure swing adsorption) 에 의해 분류되는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    암모니아 합성에 적합한 농도비의 질소와 수소를 포함하는 컨디셔닝된 프로세스 가스를 생성하기 위하여 상기 프로세스 가스를 컨디셔닝하는 단계를 더 포함하고,
    상기 컨디셔닝하는 단계는, 상기 분류하는 단계보다 선행하고,
    상기 컨디셔닝된 프로세스 가스는, 상기 제 1 가스 스트림과 상기 제 2 가스 혼합물을 제공하기 위하여 상기 분류하는 단계에서 분류되는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  7. 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스로서,
    고로 가스와 전로 가스를 포함하는 혼합 가스로 이루어지는 야금 가스로부터 질소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 프로세스 가스를 생성하는 단계;
    압력 스윙 흡착에 의하여 이산화탄소를 포함하는 제 1 가스 스트림 및 질소와 수소로 이루어지는 제 2 가스 혼합물을 제공하기 위해 상기 프로세스 가스를 분류하는 단계;
    상기 제 2 가스 혼합물로부터 암모니아 합성에 의해 상기 우레아 합성에 적합한 암모니아 가스를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 가스 스트림으로부터 상기 우레아 합성에 적합한 순도와 양으로 이산화탄소를 분기하는 단계를 포함하고,
    상기 분기하는 단계는,
    상기 제 1 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림이 분리되는 제 1 분리 단계; 및
    상기 제 1 분리 단계로부터의 상기 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림이 우레아 합성에 적합한 이산화탄소를 포함하는 제 3 가스 스트림과 테일가스로 분리되는 제 2 분리 단계를 포함하고,
    상기 고로 가스는 35 ~ 60 체적% 의 질소, 20 ~ 30 체적% 의 이산화탄소 및 20 ~ 30 체적% 의 일산화탄소를 포함하는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  8. 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스로서,
    고로 가스와 전로 가스를 포함하는 혼합 가스로 이루어지는 야금 가스로부터 질소, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 프로세스 가스를 생성하는 단계;
    압력 스윙 흡착에 의하여 이산화탄소를 포함하는 제 1 가스 스트림 및 질소와 수소로 이루어지는 제 2 가스 혼합물을 제공하기 위해 상기 프로세스 가스를 분류하는 단계;
    상기 제 2 가스 혼합물로부터 암모니아 합성에 의해 상기 우레아 합성에 적합한 암모니아 가스를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 가스 스트림으로부터 상기 우레아 합성에 적합한 순도와 양으로 이산화탄소를 분기하는 단계를 포함하고,
    상기 분기하는 단계는,
    상기 제 1 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림이 분리되는 제 1 분리 단계; 및
    상기 제 1 분리 단계로부터의 상기 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림이 우레아 합성에 적합한 이산화탄소를 포함하는 제 3 가스 스트림과 테일가스로 분리되는 제 2 분리 단계를 포함하고,
    상기 고로 가스는, 50 체적% 의 질소, 24 체적% 의 이산화탄소 및 21 체적% 의 일산화탄소를 포함하는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전로 가스는, 50 ~ 70 체적% 의 일산화탄소, 10 ~ 20 체적% 의 질소 및 15 체적% 의 이산화탄소를 포함하는, 우레아 합성을 위해 암모니아 가스와 이산화탄소를 제조하는 프로세스.
  10. 청구항 1 에 기재된 암모니아 가스와 이산화탄소로부터 우레아를 제조하는 프로세스로서,
    카르바민산암모늄은 과량의 암모니아를 이용하여 상기 암모니아 가스와 상기 이산화탄소로부터 생성되고, 또한 상기 카르바민산암모늄은 저압에서 후속 분해 단계들에서 우레아로 변환되는, 우레아를 제조하는 프로세스.
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