BR112020001496A2 - processo para a coprodução de metanol e amônia em paralelo - Google Patents
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Abstract
Um processo para coprodução de metanol e amônia em paralelo com base na reforma autotérmica com ar enriquecido com oxigênio da eletrólise da água e separação do ar e preparação de amônia com hidrogênio a partir da eletrólise da água e nitrogênio da separação do ar.
Description
[001] A presente invenção é direcionada à coprodução em paralelo de metanol e amônia. Mais particularmente, a invenção é baseada na eletrólise da água para a preparação de hidrogênio e oxigênio, e separação do ar para a preparação de nitrogênio e oxigênio. O oxigênio da eletrólise e da separação de ar é empregado para a preparação do gás de síntese de metanol por reforma a vapor autotérmica de uma matéria-prima de hidrocarbonetos e o nitrogênio da separação de ar e o hidrogênio da eletrólise está em um estágio de processo em paralelo empregado na síntese de amônia.
[002] No processo convencional de metanol, o gás de síntese é tipicamente preparado no chamado processo de reforma em duas etapas. No processo de reforma em duas etapas, uma matéria-prima de hidrocarboneto dessulfurado, geralmente gás natural, é primeiro reformado em um reformador de queima a vapor primário (SMR) e subsequentemente em um reformador a vapor secundário adiabático por oxidação parcial de hidrogênio e hidrocarbonetos e reforma a vapor adiabática de quantidades residuais de hidrocarbonetos da etapa de oxidação parcial. O reformador secundário adiabático é operado com oxigênio essencialmente puro para uso na etapa de oxidação parcial. O oxigênio essencialmente puro é normalmente fornecido a partir de uma Unidade de Separação de Ar (ASU).
[003] Alternativamente, para a reforma em 2 etapas, a SMR autônoma ou reforma autotérmica autônoma pode ser usada para preparar o gás de síntese.
[004] Independentemente de se usar SMR autônomo, reforma em 2 etapas ou ATR autônomo, o gás do produto compreenderá hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono, além de outros componentes normalmente incluindo metano e vapor.
[005] O gás de síntese de amônia é convencionalmente preparado submetendo a alimentação de hidrocarbonetos de gás natural ou hidrocarbonetos superiores a reações endotérmicas de reforma a vapor em um reformador a vapor tubular de queima por contato com um catalisador de reforma a vapor. O gás reformado primário é então alimentado em um reformador secundário adiabático, em que parte do hidrogênio e quantidades residuais de hidrocarbonetos no gás reformado primário são parcialmente oxidadas com ar de processo enriquecido com oxigênio na presença de um catalisador de reforma secundário. Do reformador secundário, o gás de síntese bruto contendo hidrogênio, nitrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono é formado durante a reação da matéria-prima nas reações de reforma a vapor acima e o nitrogênio é introduzido no gás através da adição de ar na etapa de reforma secundária.
[006] Recentemente, uma combinação de eletrólise de água para produção de hidrogênio e separação de ar para produzir nitrogênio foi prevista para a preparação de gás de síntese de amônia. O hidrogênio e o nitrogênio assim produzidos são combinados em proporções estequiométricas para formar gás de síntese para a produção de amônia. O problema com a combinação de eletrólise e separação de ar é, no entanto, que o oxigênio é produzido como subproduto tanto na eletrólise quanto na separação do ar, que não tem uso na síntese de amônia e pode ser considerado como perda de energia.
[007] Os processos atuais para a coprodução de metanol e amônia envolvem processos geralmente paralelos nos quais uma seção de reforma comum é usada para gerar um gás de síntese que é dividido em correntes paralelas separadas, uma das quais é usada para síntese de metanol e a outra para síntese de amônia. A coprodução de metanol e amônia também pode ser conduzida sequencialmente ou em série, onde o gás de síntese produzido na seção de reforma é primeiro convertido em metanol e o gás não reagido contendo óxidos de carbono e hidrogênio é subsequentemente usado para síntese de amônia. As etapas de deslocamento água-gás e/ou remoção de dióxido de carbono da corrente de gás de síntese são necessárias, dependendo da proporção desejada de produto de metanol para produto de amônia, envolvendo assim a liberação de CO2 na atmosfera e o investimento em unidades altamente caras e complicadas para a realização da conversão de deslocamento e remoção de dióxido de carbono.
[008] A presente invenção é baseada em uma combinação de reforma autotérmica a vapor usando oxigênio da eletrólise da água e de uma separação do ar (ASU) na oxidação parcial da matéria-prima de hidrocarbonetos no processo de reforma autotérmica. O hidrogênio da eletrólise e o nitrogênio da ASU em um processo paralelo é usado para a preparação do gás de síntese de amônia.
[009] Assim, esta invenção é um processo para a coprodução de metanol e amônia em paralelo, compreendendo as etapas de (a) fornecer uma matéria-prima de hidrocarboneto; (b) preparar uma corrente de hidrogênio separada e uma corrente de oxigênio separada por eletrólise da água; (c) preparar uma corrente de oxigênio separada e uma corrente de nitrogênio separada por separação do ar; (d) introduzir pelo menos parte da corrente de oxigênio separada da etapa (b) e pelo menos parte do oxigênio separado da etapa (c) em um reformador autotérmico; (e) no reformador autotérmico, reformar autotermicamente a matéria-prima de hidrocarboneto da etapa (a) para um gás de síntese de metanol compreendendo hidrogênio, óxidos de carbono; (f) converter o gás de síntese de metanol em metanol bruto em um estágio de síntese de metanol; e em paralelo (g) introduzir pelo menos parte da corrente de hidrogênio separada da etapa (b) e a corrente de nitrogênio separada da etapa (c) em um circuito de síntese de amônia e converter a corrente de nitrogênio e hidrogênio em amônia.
[0010] O gás de síntese de metanol possui, de preferência, uma composição correspondente ao chamado módulo (M=(H2-CO2)/(CO+CO2)) de 1,9-2,2 ou, mais preferivelmente, ligeiramente acima de 2 (por exemplo, 2,0-2,1). Dependendo da composição da matéria-prima de hidrocarbonetos, o módulo no gás de síntese de metanol da etapa de reforma autotérmica pode ser menor que o valor preferido. Em tais circunstâncias, uma parte do hidrogênio da eletrólise da água pode ser adicionada ao gás de síntese para ajustar o módulo ao valor preferido.
[0011] Assim, em uma modalidade da invenção, o módulo (M=(H2-CO2)/(CO+CO2)) do gás de síntese de metanol da etapa (e) é ajustado para um valor entre 1,9 e 2,2 adicionando uma parte da corrente de hidrogênio separada da etapa (b) no gás de síntese de metanol da etapa (e).
[0012] Em ainda uma outra modalidade, todo ou parte do hidrogênio da eletrólise é introduzido juntamente com o nitrogênio da unidade de separação de ar na seção de sucção de um compressor de gás nas quantidades de circuito de amônia, para fornecer uma razão molar do hidrogênio para nitrogênio de 2,7-3,3 no gás de síntese de amônia conforme preparado na etapa (g).
[0013] As vantagens do processo de acordo com a invenção são essencialmente nenhuma ou apenas uma menor perda de energia na eletrólise da água e a separação do ar juntamente com um tamanho reduzido da ASU devido a uma parte do oxigênio usado na reforma autotérmica ser produzida pela eletrólise da água.
[0014] Em uma modalidade preferida da invenção, a eletrólise da água e/ou a separação do ar é alimentada por energia renovável, resultando em uma vantagem adicional da emissão reduzida de CO2.
Claims (4)
1. Processo para coprodução de metanol e amônia em paralelo, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de (a) fornecer uma matéria-prima de hidrocarboneto; (b) preparar uma corrente de hidrogênio separada e uma corrente de oxigênio separada por eletrólise da água; (c) preparar uma corrente de oxigênio separada e uma corrente de nitrogênio separada por separação de ar; (d) introduzir pelo menos parte da corrente de oxigênio separada da etapa (b) e pelo menos parte do oxigênio separado da etapa (c) em um reformador autotérmico; (e) no reformador autotérmico, reformar autotermicamente a matéria-prima de hidrocarbonetos da etapa (a) para um gás de síntese de metanol compreendendo hidrogênio e óxidos de carbono; (f) converter o gás de síntese de metanol em metanol bruto em um estágio de síntese de metanol; e em paralelo (g) introduzir pelo menos parte da corrente de hidrogênio separada da etapa (b) e a corrente de nitrogênio separada da etapa (c) em um circuito de síntese de amônia e converter a corrente de nitrogênio e hidrogênio em amônia.
2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo (M=(H2-CO2)/(CO+CO2)) do gás de síntese de metanol da etapa (e) é ajustado para um valor entre 1,9 e 2,2 adicionando uma parte da corrente de hidrogênio separada da etapa (b) no gás de síntese de metanol da etapa (e).
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a corrente de hidrogênio separada da etapa (b) e a corrente de nitrogênio separada da etapa (c) são introduzidas no circuito de síntese de amônia em quantidades para fornecer uma razão molar de hidrogênio para nitrogênio de 2,7-3,3.
4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a eletrólise da água e/ou a separação do ar é alimentada por energia renovável.
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