PT80109B - Process for the preparation of urea - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO DO INVENTO
A invençSo refere-se a um processo para a preparação de ureia a partir de amónia e dióxido de carbono.
Se forem introduzidos amónia e dióxido de carbono numa zona de sintese sob pressão adequada (por exemplo 125-350 atm) e a uma temperatura adequada (por exemplo 170-25Q9C), forma-se em primeiro lugar carbamato de amónio, de acordo com a reacção:
2NH3 + C02 -» H2N - CQ - 0NH4
Proveniente do carbamato de amónio assim obtido, forma-se subsequentemente ureia, por desidratação, de acordo com a reacção reversível:
H2N - CO - 0NH4 --> H2N - CO - NH2 + H20
0 grau em que ocorre a conversão em ureia depende, entre outros factores, da temperatura e do excesso de amónia usado* Ço mo produto da reacção, obtám-se uma solução que consiste princi palmente em ureia, água, carbamato de amónio e amónia livre. 0 carbamato de amónio e a amónia devem ser removidos da solução e são na sua maior parte retornados à zona de sintese. A zona de síntese pode consistir de zonas separadas para a formação de carbamato e ureia, mas estas zonas podem também ser incluídas num só aparelho.
Um processo frequentemente aplicado para a preparação de ureia á descrito em European Chemical News, llrea Supplement, de 17 de Oaneiro de 1969, páginas 17-20. Neste processo, a solução de síntese de ureia formada a alta pressão e temperatura, na zona de síntese, é sujeita a um tratamento de separação (•'stripping treatment”) à pressão de síntese, mediante contaoto em contracorrente da solução com dióxido de carbono gasoso, enquanto fornecendo calor, de modo que a maior parte do carbamato presente na solução é decomposta em amónia e dióxido de carbono. Estes produtos de decomposição são expelidos da solução na forma gasosa e descarregados juntamente com uma pequena quantidade de vapor d’água e com o dióxido de carbono usado para extracção.
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-5Um tal tratamento de separação ou extracção (”stripping treatment”) pode ser realizado não apenas com dióxido de carbono, co mo descrito nesta publicação, mas também com amónia gasosa, um gás inerte ou uma mistura de pelo menos dois dos ditos gases. A mistura de gás obtida no tratamento de separação é na maior pa_r te condensada numa zona de condensação e absorvida numa solução aquosa que se origina do tratamento posterior da solução que contém ureia, após o qual tanto a solução aquosa de carbamato assim formada, como a mistura de gás não condensada são enviadas à zona de síntese para formação de ureia. Aqui, o calor necessário para a conversão de carbamato em ureia é obtido por poste rior condensação da mistura de gás.
Na descrição da Patente US 3 356 723 divulgam-se vantagens em se ter a síntese de ureia ocorrendo a pressSes relativa mente baixas de, por exemplo, 110-140 atmosferas, porque isto permite realizar o tratamento de separação pelo qual o excesso de amónia e o carbamato, não convertidos em ureia, são removidos à mesma pressão que a reacção de síntese. Se, por outro la do, a reacção de síntese for realizada a pressães substancialmente mais altas, por exemplo apròximadamente 200 atmosferas, então a pressão da solução de sintese é de preferência reduzida antes da solução ser sujeita ao tratamento de separação. Todavia, como a pressão â qual a solução de síntese de ureia á sep_a rada se torna inferior, ê necessária mais água, para manter em solução o carbamato formado durante a condensação, à pressão da operação de separação da mistura de gás obtida no tratamento de separação, e esta água acompanha o carbamato quando este entra na zona de síntese, onde afecta adversamente a eficiência de síntese. Além disso, como consequência da pressão reduzida, a condensação da mistura de gás obtida na separação ocorre a uma temperatura mais baixa, de modo que o calor de condensação e o calor de dissolução libertados devem ser removidos para um nível de temperatura relativamente baixo, necessitando uma superfície de troca de calor relativamente alta. Com este baixo nível, calor de apenas vapor dfágua a baixa pressão pode ser produzido a 2-3 bar, para o qual há pouco uso seja no processo, s_e ja em outra parte.
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-4Se, por outro lado, a separação for realizada a pressões relativamente altas e as altas temperaturas necessárias para is to, o risco de hidrólise da ureia e de formação de biureto que ocorre a um grau inaceitável não é inconcebível. Por estas razões, a dita especificação da Patente US 3 356 723 recomenda uma pressão de 50-140 atmosferas na zona de separação.
0 objectivo da presente invenção ê fornecer um processo para a preparação de ureia no qual é conseguida uma boa eficiên cia de síntese e no qual a hidrólise da ureia e formação de biu reto durante o tratamento de separação permanece dentro de limi tes aceitáveis, enquanto condensação adicional da mistura de gás obtida no tratamento de separação ê realizada a um nível de temperatura tal que uma superficie de permuta de calor substancialmente menor pode ser usada para converter o calor libertado em vapor d'água a baixa pressão, de, por exemplo, 3-5 bar, ou que vapor d’âgua de pressão mais alta, por exemplo, 5-10 bar pai de ser produzida ou que o calor libertado pode ser usado directamente para aquecimento de fluxos processuais.
De acordo com a invenção isto é conseguido pelo facto de que ureia é também se poder formar na zona de condensação durante condensação da mistura de gás obtida no tratamento de separação. Devida à presença de quantidades relativamente gran das de ureia e água, que servem como solventes para o carbamato formado após condensação da mistura de gás obtida na separação, o calor de condensação e o calor de dissolução tornam-se disponíveis, a um nível mais alto de temperatura do que sem a aplicai ção destes solventes.
A invenção refere-se portanto a um processo para a preparação de ureia, no qual uma solução de síntese de ureia conten do carbamato e amónia livre se forma a partir de dióxido de car, bono e amónia, em excesso, numa zona de síntese, a uma pressão de 125-350 bar, pelo menos uma porção do carbamato presente na solução de síntese de ureia se decompõe numa zona de separação, à pressão de zona de síntese ou a uma pressão inferior, por for. necimento de calor e por contacto em contracorrente com um gás
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-5de separação, os produtos de decomposição de carbamato, juntamente com uma porção da amónia em excesso e o gás de separação, são removidos da zona de separação, como uma mistura de gás, p.e lo menos uma porção da mistura de gás obtida é condensada numa zona de condensação e a solução de síntese de ureia separada é processada numa solução de ureia ou em ureia sólida. 0 processo ê caracterizado pelo facto de na zona de condensação também pelo menos 50% da quantidade de ureia atingível no equilíbrio sob as condiçães de reacção se poder formar e por a mistura coji tendo carbamato e ureia ser fornecida à zona de síntese.
Quando pelo menos 50% da quantidade de ureia atingível no equilibrio se formou, o efeito do calor pode ser já clarameji te visível. De preferência, a formação de ureia continua até que 50-80% do caminho, para o equilibro, tenha sido percorrido.
Como no tratamento de separação, a condensação da mistu ra de gás, obtida no tratamento de separação, pode ser realizada à mesma pressão que a pressão de síntese ou a uma pressão in ferior. E também possível que as pressSes às quais são realiza, das a separação e a condensação sejam iguais a, ou diferentes, uma da outra. De preferência pressSes iguais são aplicadas na zona de síntese, na zona de separação e na zona de condensação, de modo que a solução de carbamato formada na zona de condensação pode ser retornada ã zona de síntese de maneira não complicada, sem uma bomba de carbamato.
A conversão de carbamato em ureia e água, na zona de condensação, pode ser efectuada assegurando que o tempo de permanência da mistura de reacção na zona de condensação seja sufi cientemente longo. A condensação da mistura de gás obtida na separação, fornecendo uma solução de carbamato, e conversão adi, cional de carbamato em ureia e água pode, por exemplo, ser efe£ tuada qo lado da carcaça de um permutador de calor tubular vertical. 0 calor libertado na zona de condensação pode então ser retirado por meio de água conduzida através dos tubos e desse modo convertida em vapor d’água a baixa pressão ou por meio de um fluxo processual a ser aquecido. Para aumentar a temperatura ainda mais, a zona de condensação pode ser designada como um
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-6reactor com misturação intensiva, a diferença de temperatura entre o topo e fundo sendo limitada a no máximo 5SC e de preferência no máximo 22C. Instalação de placas guias, aletas ou elementos similares promove a misturação e desse modo a transfe rência de calor. Podem também ser utilizadas outras zonas de condensação que têm dimensães tais que permitem um tempo de pejo manência suficientemente longo da mistura da reacção. De prefe rência, à zona de condensação é dada a forma de um condensador chamado submerso, a mistura de gás a ser condensada sendo condjj zida para o espaço da carcaça de um permutador de calor tubular, em cujo espaço da carcaça também é introduzida uma solução de carbamato diluída, e o calor de dissolução e o calor de condensação que são libertados são removidos com a ajuda de um meio que se escoa através dos tubos, por exemplo água, que é desta maneira convertida em vapor d’água a baixa pressão. 0 condens_a dor submerso pode ser colocado horizontalmente ou verticalmente.
Há vantagens especiais em efeetuar a condensação num condensador horizontal submerso. A coluna de liquido tendo em regra menor altura do que um condensador vertical submerso, a elevação do ponto de ebulição ô menor, resultando numa diferença de temperatura maior entre a solução de carbamato contendo ureia e o meio de arrefecimento, e portanto em transferência de calor mais rápida.
Quando um condensador submerso colocado horizontalmente for usado, ele pode ser colocado directamente sobre a superfíci e de trabalho, de modo que a altura da instalação seja claramejj te reduzida e os custos de instalação sejam diminuídos. Além disso, naquele caso a montagem e desmontagem são relativamente simples.
Quando for aplicada uma zona de condensação vertical, é possível abrigar a zona de síntese e a zona de condensação numa aparelhagem, de modo que seja obtida uma construção compacta.
No processo de acordo com a invenção é possível, dependendo da pressão aplicada na zona de condensação e das quantid.a
des de ureia e água formadas, elevar a temperatura na zona de
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-7condensação em 5-102C. Deste modo, ô, por exemplo, possível ge rar vapor d*água a baixa pressão de 5-10 bar com uma pressão na zona de condensação de aproximadamente 140 bar. Naturalmente, é também possível produzir vapor d’água a baixa pressão tendo a pressão habitual de 3-5 bar. Isto pode ser conseguido usando uma superfície de permuta de calor substancialmente menor.
A invenção será elucidade com referência ã figura e aos exemplos, sem todavia ser restrita a eles.
Na figura, A representa uma zona de síntese, B uma zona de separação e C uma zona de condensação. D representa um reservatório de vapor d’água^ E uma bomba e F um ejector.
Através de 7, o ejector F, que é accionado por meio de amónia líquida comprimida, fornecida através de 6, aspira uma solução de carbamato obtida no processamento adicional da solução contendo ureia produzida noutra parte do processo. A mistu ra de amónia líquida e solução de carbamato é alimentada à zona de condensação C através de 5. Através da linha 3, que é provida de aberturas, uma mistura de gás contendo amónia e dióxido de carbono é introduzida no líquido, a dita mistura de gás tenda sido obtida sujeitando a solução de síntese de ureia, formada na zona de síntese A, a um tratamento de separação na zona B de separação, que é realizada em contracorrente com um gás de separação por exemplo, dióxido de carbono, enquanto está a ser fornecido calor. No modo de realização aqui representada, a pressão na zona de síntese A, zona de extracção B e zona de co_n densação C é igual, por exemplo aproximadamente 140 bar. Todavia, é também possível as pressões nas ditas zonas diferirem umas das outras. As dimensões da zona de condensação C foram escolhidas de modo que o tempo de permanência da mistura da reacção aqui seja sufieientemente longo, de modo que pelo menos 30% da formação de ureia teoricamente possível ocorre. 0 calor libertado na zona de condensação C é removido com a ajuda de água, fornecida através de 12, que passa através de 10 e por elementos de arrefecimento 8 na zona de condensação C por meio da bomba E, e que é desse modo convertida em vapor d’água a bai. xa pressão. 0 vapor d’água formado passa através de 9 para o
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-8reservatório de vapor d'água 0 e através de 11 descarregado do dito reservatório para uma instalação que consome vapor d’água a baixa pressão, que não é representada. Ao invés de remover o calor por meio de produção de vapor d’água, aquece-se um fluxo processual, por exemplo uma solução aquosa de ureia que deve ser concentrada, que pode ser conduzido através dos elementos de arrefecimento. A solução contendo ureia e carbamato e a poj? ção não condensada da mistura de gás alimentada à zona de condensação C são fornecidas através de 4 a uma zona de síntese A, onde ainda ocorre formação de ureia.
Proveniente da zona de síntese A, a solução de síntese de ureia passa através de 1 para a zona de extracção B, enquanto uma mistura de gás contendo os gases inertes ê removida atra vês de 14. A solução de síntese de ureia extraída é descarrega da através de 13, processada de modo conhecido numa solução aquosa de ureia e concentrada, após o que a solução concentrada pode ser convertida em ureia sólida.
Exemplo Comparativo
Prepara-se ureia pelo processo descrito em "European Chemical Neu/s, Urea Supplement" de 17 de Janeiro de 1969, numa quantidade de 1500 toneladas por dia. As quantidades são forne cidas em kg por hora. A secção da instalação a alta pressão ô fornecida com 33.417 kg de líquido e 45.833 kg de C02 gasoso, que também contém 286 kg de vapor d’água e 1.533 kg de componentes inertes. A pressão na zona de reacção, na zona de extracção e na zona de condensação é de 141,2 bar. A zona de cojg densação é fornecida uma mistura de gás que consiste de 43.742 kg de NH^, 65.795 kg de £0%, 2.578 kg de HgQ e 1.533 kg de componentes inertes, que na sua maior parte é aqui condensada e absorvida numa solução de carbamato que contêm 50.964 kg NH^, 17.957 kg de CO^ e 9.231 kg de f^O. Forma-se uma solução de carbamato que consiste de 78.108 kg de NH^, 67.706 kg de CO^ e 10.829 kg de HgQ e tem uma temperatura de 168SC, enquanto a mis tura de gás restante contém 18.598 kg de NH^, 16.046 kg de C02, 980 kg de H20 e 1.533 kg de inertes. A solução de carbamato e
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-9a mistura de gás são fornecidas à zona de reacção.
0 calor libertado por condensação ê removido com a ajuda de água, resultando na formação de 60 000 kg de vapor d’água
a baixa pressão de 4,4 bar s 1472C. A superfície de permuta de 2
calor é 1.694 m .
Exemplo I
Numa instalação como representada na figura, o processo
de acordo com a invenção é usado para preparar a mesma quantida de de ureia como descrito no exemplo comparativo. A pressão na secção de alta pressão da instalação é 141,2 bar. A condensação da mistura de gás obtida por extracção é efectuada num condensador submerso colocado horizontalmente, sendo acompanhada pe la formação de 50% da quantidade de ureia teoricamente possível sob as condiçães prevalecentes. A solução de carbamato contendo a ureia formada consiste em 30.839 kg de ureia, 60.871 kg de ΝΗ^, 50.553 kg de C02 e 20.521 kg de H^O. A sua temperatura Ô 174QC. Além disso, permanece uma mistura de gás que consiste de 18.171 kg de NH^, 10.706 kg de C02> 606 kg de H20 e 1.533 kg de componentes inertes. Com a ajuda do calor libertado na zona de condensação, formam-se 60.000 kg de vapor d’água a pressão
baixa de 4,4 bar. A superfície de permuta de calor necessária 2
para isto é 667 m .
Exemplo II
Da mesma maneira descrita no Exemplo I, forma-se uma quantidade idêntica de ureia, mas agora na zona de condensação forma-se 75% da quantidade de ureia atingível no equilíbrio.
Na zona de condensação é obtida uma solução que contém além de 56.188 kg de NK^ e 40.203 kg de C02, também 47.930 kg de ureia e 25.649 kg de h^O.
Além disso, resta uma mistura de gás que consiste de
14.825 kg de NH^, 8.400 kg de C02, 605 kg de Η£0 e 1.533 kg de
componentes inertes. A temperatura dos componentes líquidos e
gasosos descarregados da zona de condensação é de 178QC. 0 ca
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-10lor libertado ê utilizado para a formação de 60.000 kg de vapor d‘água a baixa pressão de 6,8 bar.
A superfície permutadora de calor necessária para isto é 1.694 m2.
Claims (8)
- REIVINDICAÇÕES1 - Processo para a preparação de ureia, no qual se fo_r ma uma solução de síntese de ureia contendo carbamato e amónia livre, a partir de dióxido de carbono e amónia em excesso, numa zona de síntese, a uma pressão de 125-350 bar, pelo menos uma porção do carbamato presente na solução de síntese de ureia é decomposto numa zona de separação à pressão da zona de síntese ou a uma pressão inferior, por fornecimento de calor e contacto em contracorrente com um gás de separação, os produtos de decom posição de carbamato, juntamente com uma porção da amónia em ex, cesso e de gás de separação, são removidos da zona de separação como uma mistura de gás, pelo menos uma porção da mistura de gás obtida ô condensada numa zona de condensação e a solução de síntese de ureia separada é processada para formar uma solução de ureia ou ureia sólida, caracterizado pelo facto de na zonade condensação se formarem pelo menos 30/ da quantidade de ureia atingível no equilíbrio sob as condições de reacção e por a mis, tura contendo carbamato e ureia ser fornecida ã zona de sintese·
- 2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterí zado pelo facto de se formarem 50-80% da quantidade de ureia atingível no equilíbrio sob as condições prevalecentes.
- 3 - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto da condensação na zona de condensação se realizar à pressão de síntese.
- 4 - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo facto da condensação se efectuar à pressão ã qual ocorre o tratamento de separação, cuja pressão é inferior ã pressão de síntese.63
- 5S53523 PT-115 - Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1-4, caracterizado pelo facto de que se assegura que a mistura de reacção seja completamente misturada na zona de condensação.
- 6 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-5, caracterizado pelo facto da condensação se efectuar num condensador submerso.
- 7 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, caracterizado pelo facto da condensação se efectuar no lado da carcaça de um permutador de calor tubular, colocado horizontalmente.
- 8 - Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, caracterizado pelo facto da condensação se efectuar numa zona de condensação integrada com a zona de reacção.
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