ES3040109T3 - Process for the preparation of green ammonia synthesis gas - Google Patents

Process for the preparation of green ammonia synthesis gas

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Abstract

Proceso y sistema para producir un gas de síntesis de amoníaco, el proceso comprende los pasos de: (a) proporcionar una corriente separada que comprende nitrógeno por absorción por oscilación de presión del aire ambiente; (b) proporcionar una corriente separada que comprende hidrógeno por electrólisis de agua y/o vapor; (c) combinar las corrientes separadas obtenidas en los pasos a) y b) en una corriente mixta que comprende hidrógeno y nitrógeno; (d) presurizar la corriente mixta del paso (c); y (e) eliminar cantidades residuales de oxígeno contenido adicionalmente en la corriente mixta por hidrogenación catalítica del oxígeno con una parte del hidrógeno contenido en la corriente mixta aguas arriba del paso (d) y/o aguas abajo del paso (d) y/o durante el paso (d) para producir el gas de síntesis de amoníaco. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la preparación de gas de síntesis de amoniaco verde
La presente invención se refiere a un procedimiento, un sistema y una planta para producir gas de síntesis de amoniaco verde, en donde el hidrógeno se proporciona mediante electrólisis y el N<2>se proporciona mediante una unidad de separación de aire, PSA o separación por membrana y en donde se eliminan oxígeno u compuestos que contienen oxígeno en una corriente de hidrógeno y una corriente de nitrógeno en una unidad de desoxidación común.
El hidrógeno de la electrólisis y el nitrógeno de la PSA pueden contener impurezas, tales como O<2>, H<2>O, KOH u otras, que son usualmente no deseadas en la síntesis de amoníaco. Estas impurezas se eliminan típicamente mediante una unidad de limpieza con el fin de conseguir un gas de síntesis de amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno casi puro.
Si se genera hidrógeno a baja presión, es decir, cerca de la presión atmosférica, aproximadamente 0,1 bar g, se comprime hasta la presión requerida o a la presión de síntesis requerida, que para la síntesis de NH<3>es de aproximadamente 100-300 bar g. Si es CO<2>o N<2>se producen a baja presión (por ejemplo, 0,3-1,0 bar g para CO<2>) pueden comprimirse hasta la presión requerida, si es necesario.
Por lo tanto, la solución estándar comprende típicamente una unidad de limpieza separada para H<2>y para N<2>así como un compresor separado para H<2>y para otro procedimiento para la preparación de gas de síntesis de amoniaco verde como se describe en el documento CN 106185984 A.
Cualquier compuesto que contenga oxígeno, en particular oxígeno será un veneno para los catalizadores de síntesis de amoniaco, por lo que la especificación de la pureza de hidrógeno y nitrógeno normalmente es muy estricta. En la producción de hidrógeno basada en electrólisis, se requerirá típicamente un sistema de limpieza de gas. En la producción de nitrógeno, la alta demanda de pureza requiere que la separación de aire se lleve a cabo en una unidad criogénica de separación de aire (ASU), lo que hace que el procedimiento de amoniaco sea más costoso y/o menos eficiente energéticamente.
La presente invención proporciona la reducción del número de unidades de limpieza y otros equipos tales como unidades de compresión en una planta, mejorando/reduciendo de este modo CAPEX.
La mejora de las soluciones conocidas estándar descritas anteriormente, se basa en el emplear absorción por oscilación de presión para la separación de aire atmosférico (PSA) en nitrógeno y oxígeno, que funciona a temperaturas cercanas a la ambiente y difiere significativamente de la separación criogénica de aire, y en combinar las corrientes (H<2>+N<2>) presurizar las corrientes combinadas en un compresor de gas de síntesis de amoniaco y posteriormente limpiar las corrientes combinadas presurizadas en una sola unidad, en particular una unidad de hidrogenación común, en la que el oxígeno se elimina mediante hidrogenación catalítica a agua.
Así, en un aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento para producir gas de síntesis de amoniaco que comprende las etapas de:
(a) proporcionar una corriente separada que comprende nitrógeno mediante absorción por oscilación de presión del aire ambiente;
(b) proporcionar una corriente separada que comprende hidrógeno mediante electrólisis de agua y/o vapor;
(c) combinar las corrientes separadas obtenidas en las etapas a) y b) en una corriente mixta que comprende hidrógeno y nitrógeno;
(d) presurizar la corriente mixta de la etapa (c); y
(e) eliminar las cantidades residuales de oxígeno contenido todavía en la corriente mixta por hidrogenación catalítica del oxígeno con una parte del hidrógeno contenido en la corriente mixta aguas arriba de la etapa (d) y/o aguas abajo de la etapa (d) y/o durante la etapa (d) para producir el gas de síntesis de amoniaco.
Cuando se presuriza la corriente mixta antes de la etapa de desoxidación, se aplica energía térmica a la corriente mixta y aumenta la temperatura del gas. De este modo, se puede evitar un calentador de puesta en marcha para la hidrogenación catalítica.
Así, según la invención, la corriente mixta de hidrógeno y de nitrógeno se presuriza en un compresor de gas de síntesis de amoniaco aguas arriba de la hidrogenación catalítica.
La reacción de amoníaco requiere una relación molar estequiométrica de H<2>: N<2>de aproximadamente 3. Parte de la cantidad de hidrógeno se usa en la reacción de hidrogenación.
Por lo tanto, en otra realización preferida, la corriente mixta comprende hidrógeno y nitrógeno en una cantidad para proporcionar una relación molar de H<2>a N<2>de entre 2,8 y 3,2.
En otra realización preferida, la electrólisis se realiza en una celda de electrólisis de óxido sólido.
En otra realización preferida, la hidrogenación catalítica se realiza en presencia de un catalizador de hidrogenación que comprende platino y/o paladio.
Otro aspecto de la invención es un sistema para producir gas de síntesis de amoníaco que comprende: a) una o más unidades de absorción por oscilación de presión para proporcionar una corriente separada que comprende nitrógeno;
b) una o más unidades de electrólisis para proporcionar una corriente separada que comprende hidrógeno; c) medios de combinación para proporcionar una corriente mixta que comprende la corriente de hidrógeno separada y la corriente de nitrógeno separada;
d) una unidad de compresión para presurizar la corriente mixta; y
e) una unidad de hidrogenación de oxígeno para la hidrogenación catalítica del oxígeno contenido en la corriente mixta presurizada.
La unidad de compresión es un compresor de gas de síntesis de amoniaco dispuesto aguas arriba o aguas abajo de la unidad de hidrogenación.
En otra realización preferida, la unidad de electrólisis es una celda de electrólisis de óxido sólido.
En otra realización preferida, la unidad de hidrogenación contiene un catalizador de hidrogenación que comprende platino y/o paladio.
Un tercer aspecto de la invención es una planta que comprende un sistema según una cualquiera de las realizaciones anteriores, para llevar a cabo un procedimiento según una cualquiera de las realizaciones anteriores.
En resumen, las ventajas de la invención son:
- Bajo coste de PSA comparado con ASU criogénica para todas las capacidades
- La PSA es más flexible en su funcionamiento. La baja reducción y el rápido tiempo de puesta en marcha compararon la ASU criogénica
- El circuito de amoniaco dinámico funciona con una entrada de energía variable desde la solar y la eólica entre el 5 y el 100 % de carga. Por lo tanto, la PSA flexible es una ventaja en los circuitos dinámicos de amoniaco que funcionan con energías renovables.
- Unidad de hidrogenación combinada para la eliminación de oxígeno en corrientes de alimentación tanto de hidrógeno como de nitrógeno en lugar de una unidad individual para cada corriente de alimentación.
- Como la unidad de hidrogenación está dispuesta aguas arriba en la descarga del compresor de gas de síntesis, se eliminará la necesidad de un calentador de arranque.
- Una presión más alta favorecerá la reacción y reducirá el volumen de catalizador en la unidad de hidrogenación.
- Una temperatura más alta favorecerá la hidrogenación del oxígeno.
La figura 1 en los dibujos muestra una realización preferida de la presente invención para la generación de corrientes de H<2>y N<2>para la síntesis de amoníaco verde, donde se realiza la etapa de compresión, aguas arriba de una eliminación de oxígeno conjunta de una corriente combinada de H<2>y N<2>.
La corriente de hidrógeno del electrolizador contiene típicamente 99,9 % en moles de H<2>y 0,1% en moles de O<2>. La corriente de nitrógeno de la unidad de PSA contiene típicamente 99,2% en moles de N<2>, 0,3% en moles de O<2>y 0,5% en moles de Ar como impurezas.
Como se ha mencionado anteriormente, el oxígeno en el gas de síntesis de amoníaco envenenará el catalizador de amoníaco y, por lo tanto, es necesario eliminar el oxígeno contenido en la corriente de hidrógeno y en la corriente de nitrógeno por hidrogenación catalítica del oxígeno a agua.
Mediante la presente invención, las corrientes se combinan en una relación molar de H<2>a N<2>de aproximadamente 2,8 a 3,2 y se comprimen en un compresor de gas de síntesis aguas arriba y a continuación se limpia en la unidad de hidrogenación.
En la unidad de hidrogenación, el oxígeno se eliminará mediante una reacción catalizada con hidrógeno para formar agua. La mayor parte del agua se eliminará enfriando y separando entre etapas antes de que el gas de síntesis de amoniaco así preparado se introduzca en un circuito de amoniaco aguas abajo.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para producir un gas de síntesis de amoniaco que comprende las etapas de:
(a) proporcionar una corriente separada que comprende nitrógeno mediante absorción por oscilación de presión del aire ambiente;
(b) proporcionar una corriente separada que comprende hidrógeno mediante electrólisis de agua y/o vapor;
(c) combinar las corrientes separadas obtenidas en las etapas a) y b) en una corriente mixta que comprende hidrógeno y nitrógeno;
(d) presurizar la corriente mixta de la etapa (c); y
(e) eliminar las cantidades residuales de oxígeno contenidas todavía en la corriente mixta mediante hidrogenación catalítica del oxígeno con una parte del hidrógeno contenido en la corriente mixta aguas arriba de la etapa (d) y/o aguas abajo de la etapa (d) y/o durante la etapa (d) para producir el gas de síntesis de amoniaco, en donde la corriente mixta que comprende hidrógeno y nitrógeno se presuriza en un compresor de gas de síntesis de amoniaco aguas arriba de la hidrogenación catalítica.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la corriente mixta comprende hidrógeno y nitrógeno en una cantidad para proporcionar una relación molar de H<2>a N<2>de entre 2,8 y 3,2.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, en el que la electrólisis se realiza en una celda de electrólisis de óxido sólido.
4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la hidrogenación catalítica se realiza en presencia de catalizador de hidrogenación.
5. Sistema para producir gas de síntesis de amoniaco que comprende:
a) una o más unidades de absorción por oscilación de presión para proporcionar una corriente separada que comprende nitrógeno;
b) una o más unidades de electrólisis para proporcionar una corriente separada que comprende hidrógeno; c) medios de combinación para proporcionar una corriente mixta que comprende la corriente de hidrógeno separada y la corriente de nitrógeno separada;
d) una unidad de compresión para presurizar la corriente mixta; y
e) una unidad de hidrogenación de oxígeno para la hidrogenación catalítica del oxígeno contenido en la corriente mixta presurizada, donde la unidad de compresión es un compresor de gas de síntesis de amoniaco dispuesto aguas arriba de la unidad de hidrogenación.
6. Sistema según la reivindicación 5, en el que la unidad de electrólisis es una celda de electrólisis de óxido sólido.
7. Sistema según las reivindicaciones 5 o 6, en el que la unidad de hidrogenación contiene un catalizador de hidrogenación.
8. Planta que comprende un sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, para llevar a cabo un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
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