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Amônia - Notas de Aula, Resumos de Processos Químicos

Amônia - Notas de Aula

Tipologia: Resumos

2021

Compartilhado em 18/04/2022

gabriela-ladeira-1
gabriela-ladeira-1 🇧🇷

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AMÔNIA ● produção: reação entre nitrogênio e hidrogênio, sob elevada pressão e temperatura na presença de um catalisador ● 4 mols → 2 mols: pelo princípio de Le Chatelier, o equilíbrio será deslocado no sentido de produção de amônia, diminuindo o volume da mistura de gases e aumentando a concentração de produto, principalmente com o aumento da pressão ● reação exotérmica, favorecida com a diminuição de temperatura → menores temperaturas desfavorecem a cinética reacional, sendo indispensável o emprego de um catalisador ● também é retirada a amônia produzida durante o processo, diminuindo sua concentração e deslocando o equilíbrio no sentido da formação de mais amônia ● utiliza-se uma combinação de pressão e temperatura que atenda da melhor forma possível as exigências de velocidade de reação e de um equilíbrio vantajoso a produção de amônia REFORMA A VAPOR - PRODUÇÃO DE H 2 1) conversão de hidrocarbonetos em gás de síntese 2) conversão de CO a CO2 (reação com vapor d’água – conversão de Shift) 3) remoção do CO2 4) metanação de CO e CO2 residuais 5) síntese da amônia 1. DESSULFURIZAÇÃO ● o gás natural é dessulfurizado, reduzindo o teor de H2S em um sistema físico de adsorção ○ O H2S pode ser retirado por adsorção em óxido de ferro ou por adsorção em carvão ativo ○ o CO2 é eliminado por adsorção em MEA / DEA ● etapa essencial devido ao uso de catalisadores metálicos, que são atacados pelo H2S, principalmente a altas temperaturas, formando sulfetos metálicos sem atividade catalítica → inativa o catalisador da reforma primária/secundária e da reação de shift ● restrições quanto ao CO e CO2: podem formar carbonilas metálicas nas condições de operação e também são venenos sérios para os catalisadores do processo de síntese de NH3 ● Os compostos de enxofre no gás natural dividem-se em: ○ Reativos – são facilmente decompostos em seus hidrocarbonetos e H2S. São eles H2S e mercaptans leves (que são facilmente hidrosolúveis gerando H2S). 3. REFORMA SECUNDÁRIA ● completa a conversão do metano a hidrogênio ● metano residual: ~0,3% ● introdução de N2 na corrente gasosa para chegar ao loop de síntese com uma relação 3 H2:1 N2 ● com o N2 também entram outros gases em menor quantidade (~21% O2 e ~0,9% argônio) Assim, o H2 necessário para a produção de amônia foi gerado pela reforma a vapor 4. CONVERSÃO DE SHIFT - CONVERSÃO DE CO A CO2 CO + H2O → CO2 + H2 + calor ● objetivo: transformar CO em CO2 e fornecer mais hidrogênio ao processo ● reação a alta temperatura → resfriamento intermediário → reação a baixa temperatura 1. reação a alta temperatura: estágio comprometido com a cinética - catalisador: 90-95% magnetita (Fe3O4) + 5-10% Cr2O3 - elemento ativo do catalisador: magnetita - promotor da catálise: Cr2O3 - teor de CO: 12% → 3% 2. reação a baixa temperatura: estágio comprometido com o equilíbrio químico - catalisador: mistura de óxido de cobre (15-31% CuO), óxido de zinco (32-62% ZnO) e alumina (0,4% Al2O3) - elemento ativo do catalisador: CuO - promotores da catálise: demais substâncias - saída com 0,1% de CO 5. REMOÇÃO DE CO2 ● absorção do CO2 proveniente da corrente gasosa → recuperação do CO2 absorvido ● absorção: favorecida a baixa temperatura e alta pressão ● recuperação: favorecida a alta temperatura e baixa pressão ● absorção química: ○ MEA: forma carbonato de MEA → recuperação por aquecimento ○ K2CO3: forma bicarbonato de potássio → recuperação por aquecimento ● absorção física: ○ água pressurizada a baixa temperatura, etanol, DEA e TEA ○ processo Rectisol: metanol a baixa temperatura ○ processo Selectisol: mistura de polipropileno e ester glico metálico. ● absorção química e física ○ 2 colunas: MEA (reage quimicamente) → TEA (reage fisicamente) 6. METANAÇÃO ● objetivo: eliminar os traços de CO e CO2, que são veneno para o catalisador de síntese ● última etapa antes da síntese ● relação aprox. 3 H2:1 N2 ● catalisador: óxido de níquel ● pequeno consumo de H2 para conversão de CO e CO2 em CH4 7. LOOP DE SÍNTESE ● composição do gás que sai do metanador e alimenta o loop de síntese: Argônio + CH4 ~ 1% CO2 + CO < 10 ppm (concentração não prejudicial ao catalisador) N2 ~ 24,8% H2 ~ 74,2% (3x N2) ● o gás que sai do metanador deve ser comprimido até a pressão requerida no loop de síntese ● o gás de baixa pressão passa por uma série de trocadores, onde a água condensada é retirada no separador do primeiro estágio ● o gás de reciclo é misturado com o gás comprimido a alta pressão ● a mistura então é aquecida com a carga efluente do conversor de amônia pelos gases convertidos (reação exotérmica → aproveitamento de calor) ● em seguida, a mistura vai para o reator de síntese, onde ocorre a reação de interesse ● O gás que sai do conversor passa por uma caldeira, que gera vapor superaquecido de alta pressão ● O gás efluente da caldeira passa ainda por 2 trocadores de calor onde é resfriado com o pré-aquecimento do gás de alimentação do compressor ● O gás resfriado vai para o separador primário, de alta pressão, onde separa-se a amônia (condensada nos 2 trocadores) da corrente gasosa ● A parte líquida é enviada para a estocagem enquanto que a corrente gasosa é purgada em parte (para manter o nível de inertes) e segue para o compressor onde é alimentada para entrada do último estágio de compressão, onde mistura-se com o gás de make up comprimido nos estágios anteriores ● A corrente comprimida dirige se para um separador secundário que retira o NH3 condensado pela compressão e resfriamento da corrente em um trocador de calor cujo refrigerante é amônia a 33 º C ● A amônia líquida é enviada para estocagem (a 33 º C) ● O gás de alimentação do conversor é então pré aquecido desde 33 º C até 400-500 º C, temperatura em que alimenta o conversor processo de produção por oxidação parcial de óleos pesados - processo de gaseificação (oxidação parcial) no lugar da reforma a vapor - sem catalisador: CO desativaria o catalisador - o O2 alimentado na gaseificação é obtido por retificação criogênica → o ar é filtrado, comprimido e resfriado antes da entrada em uma dupla coluna retificadora → o nitrogênio é separado do oxigênio pelo topo de cada coluna → desvantagem: requer uma unidade de separação de ar para fornecer o O2 pra gaseificação e o N2 para a reação de síntese - o óleo pesado é pré-aquecido e bombeado até o gaseificador, junto com vapor a alta pressão e oxigênio pré-aquecido (que vem de uma unidade de separação de ar) - gás resultante: 46% H2, 47% CO, 4% CO2, com pequenas quantidades de H2S e N2 - O gás quente é resfriado em contato com a água de processo até a temperatura de entrada no estágio de conversão do CO (cerca de 300 ºC) e a maior parte das partículas de carbono em suspensão no gás é removida pela água - Nesse estágio, a água é vaporizada, formando o vapor d’água necessário para a reação de shift, na qual o conteúdo de CO é reduzido a ~15% - a remoção de CO e H2S é feita por absorção física com metanol - purificação: lavagem com nitrogênio líquido → remove CO; reduz o teor de CH4 e argônio a níveis muito baixos - após a purificação, introduz-se nitrogênio adicional na corrente de gás para se obter uma razão 1N2:3H2 e o gás é comprimido para entrar na unidade de síntese de NH3 - alta eficiência da lavagem com nitrogênio líquido → não demanda a purga de gases na etapa de sínteses, já que os inertes foram removidos anteriormente QUESTÕES 1) Na produção de amônia a partir de gás natural, o objetivo dos reformadores primário e secundário é a transformação dos hidrocarbonetos em hidrogênio. Por que no