Produção de amônia - Ammonia production

Amônia

A amônia é um dos produtos químicos inorgânicos mais produzidos. Existem inúmeras fábricas de produção de amônia em grande escala em todo o mundo, produzindo um total de 144 milhões de toneladas de nitrogênio (equivalente a 175 milhões de toneladas de amônia) em 2016. A China produziu 31,9% da produção mundial, seguida pela Rússia com 8,7%, Índia com 7,5% e os Estados Unidos com 7,1%. 80% ou mais da amônia produzida é usada para fertilizar plantações agrícolas. A amônia também é usada para a produção de plásticos, fibras, explosivos, ácido nítrico (via processo Ostwald ) e intermediários para tinturas e produtos farmacêuticos.

História

Antes do início da Primeira Guerra Mundial , a maior parte da amônia era obtida pela destilação a seco de vegetais e produtos animais nitrogenados; pela redução do ácido nitroso e nitritos com hidrogênio ; e também pela decomposição dos sais de amônio por hidróxidos alcalinos ou por cal viva , sendo o sal mais utilizado o cloreto ( sal-amoníaco ).

Diagrama de fluxo de blocos do processo de síntese de amônia.

Hoje, a maior parte da amônia é produzida em grande escala pelo processo Haber com capacidades de até 3.300 toneladas por dia. Neste processo, os gases N 2 e H 2 podem reagir a pressões de 200 bar. A amônia também é processada pelo carvão.

A American Oil Co em meados da década de 1960 posicionou uma planta de conversor único de amônia projetada por MW Kellogg em Texas City, TX, com uma capacidade de 544 toneladas / dia. O conceito de projeto de um único trem foi tão completo que recebeu o "Prêmio de Realização de Engenharia Química Kirkpatrick" em 1967. A planta usou um compressor centrífugo de quatro caixas para comprimir o gás de síntese a uma pressão de 152 bar e a compressão final a uma pressão operacional de 324 bar ocorreu em um compressor alternativo. Também foram implantados compressores centrífugos para o circuito de síntese e serviços de refrigeração, que proporcionaram custo expressivo, onerando muito.

Quase todas as fábricas construídas entre 1964 e 1992 tinham projetos grandes de um único trem com fabricação de gás de síntese a 25–35 bar e síntese de amônia a 150–200 bar. Outra variação da Braun ((agora KBR)) ofereceu um leve tempero ao design simples. As plantas de processo do purificador Braun utilizaram um reformador primário ou tubular com baixa temperatura de saída e alto vazamento de metano para reduzir o tamanho e o custo do reformador. O excesso de ar foi adicionado ao reformador secundário para reduzir o conteúdo de metano do fluxo de saída do reformador primário para 1–2%. O excesso de nitrogênio e outras impurezas foram apagados a jusante do metanador. Como o gás de síntese era essencialmente livre de impurezas, dois conversores de amônia de fluxo axial foram usados ​​para obter uma alta conversão de amônia.

Modernas fábricas de produção de amônia

Uma típica fábrica moderna de produção de amônia converte primeiro o gás natural , o gás liquefeito de petróleo ou a nafta de petróleo em hidrogênio gasoso . O método de produção de hidrogênio a partir de hidrocarbonetos é conhecido como reforma a vapor . O hidrogênio é então combinado com nitrogênio para produzir amônia por meio do processo Haber-Bosch .

Começando com um gás natural ( CH
4) matéria-prima, as diferentes etapas utilizadas no processo de produção de hidrogênio são as seguintes:

  • A primeira etapa do processo é remover os compostos de enxofre da matéria-prima porque o enxofre desativa os catalisadores usados ​​nas etapas subsequentes. A remoção de enxofre requer hidrogenação catalítica para converter compostos de enxofre nas matérias-primas em sulfeto de hidrogênio gasoso :
H 2 + RSH → RH + H 2 S (gás)
  • O sulfeto de hidrogênio gasoso é então adsorvido e removido passando-o por leitos de óxido de zinco, onde é convertido em sulfeto de zinco sólido :
Ilustrando entradas e saídas de reforma a vapor de gás natural, um processo para produzir hidrogênio.
H 2 S + ZnO → ZnS + H 2 S
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
  • O dióxido de carbono é então removido por absorção em soluções aquosas de etanolamina ou por adsorção em adsorventes de oscilação de pressão (PSA) usando meios de adsorção sólidos proprietários.
  • A etapa final na produção do hidrogênio é usar metanação catalítica para remover quaisquer pequenas quantidades residuais de monóxido de carbono ou dióxido de carbono do hidrogênio:
CO + 3 H 2 → CH 4 + H 2 O
CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Para produzir o produto final de amônia desejado, o hidrogênio é então cataliticamente reagido com nitrogênio (derivado do ar de processo) para formar amônia líquida anidra . Esta etapa é conhecida como ciclo de síntese de amônia (também conhecido como processo Haber-Bosch ):

3 H 2 + N 2 → 2 NH 3

Devido à natureza do catalisador (tipicamente magnetita multi-promovida ) usado na reação de síntese de amônia, apenas níveis muito baixos de compostos contendo oxigênio (especialmente CO, CO 2 e H 2 O) podem ser tolerados na síntese (hidrogênio e mistura de nitrogênio) gás. O nitrogênio relativamente puro pode ser obtido pela separação do ar , mas a remoção adicional do oxigênio pode ser necessária.

Por causa das taxas de conversão de passagem única relativamente baixas (normalmente menos de 20%), um grande fluxo de reciclagem é necessário. Isso pode levar ao acúmulo de inertes no gás de circuito.

As etapas de reforma de vapor, conversão de deslocamento, remoção de dióxido de carbono e metanação operam, cada uma, a pressões absolutas de cerca de 25 a 35 bar, e o ciclo de síntese de amônia opera a pressões absolutas que variam de 60 a 180 bar, dependendo de qual projeto proprietário é usado. Existem muitas empresas de engenharia e construção que oferecem projetos proprietários para plantas de síntese de amônia. Haldor Topsoe da Dinamarca, Thyssenkrupp Industrial Solutions GmbH da Alemanha, Casale SA da Suíça e Kellogg Brown & Root dos Estados Unidos estão entre as empresas mais experientes neste campo.

Produção sustentável de amônia

Ilustrando entradas e saídas da pirólise do metano , um processo para produzir hidrogênio.
Mais informações: Processo Haber § Aspectos econômicos e ambientais

A produção de amônia depende de fontes abundantes de energia , predominantemente gás natural . Devido ao papel crítico da amônia na agricultura intensiva e outros processos, a produção sustentável é desejável. Isso é possível usando pirólise de metano não poluente ou gerando hidrogênio por eletrólise de água (ou vapor) utilizando eletricidade zero carbono de fontes de energia renováveis ou energia nuclear .

Ilustrando entradas e saídas de eletrólise simples de água, para produção de hidrogênio.

Isso seria simples em uma economia de hidrogênio, desviando parte da produção de hidrogênio do combustível para o uso da matéria-prima. Por exemplo, em 2002, a Islândia produziu 2.000 toneladas de gás hidrogênio por eletrólise , usando o excesso de produção de eletricidade de suas usinas hidrelétricas , principalmente para a produção de amônia para fertilizantes. A usina hidrelétrica de Vemork , na Noruega, usou seu excedente de eletricidade para gerar ácido nítrico renovável de 1911 a 1971, exigindo 15 MWh / tonelada de ácido nítrico. A mesma reação é realizada por raios, fornecendo uma fonte natural para a conversão do nitrogênio atmosférico em nitratos solúveis. Na prática, o gás natural continuará sendo a principal fonte de hidrogênio para a produção de amônia, desde que seja o mais barato .

As águas residuais geralmente contêm alto teor de amônia. Como despejar água carregada de amônia no meio ambiente, mesmo em estações de tratamento de águas residuais, pode causar problemas, a nitrificação é freqüentemente necessária para remover a amônia. Esta pode ser uma fonte potencialmente sustentável de amônia no futuro devido à sua abundância e à necessidade de removê-la da água de qualquer maneira . Alternativamente, a amônia das águas residuais é enviada para um eletrolisador de amônia (eletrólise de amônia) operando com fontes de energia renováveis ​​(Solar PV e turbina eólica) para produzir hidrogênio e água tratada limpa. A eletrólise de amônia pode exigir muito menos energia termodinâmica do que a eletrólise de água (apenas 0,06 V em meio alcalino).

Outra opção para recuperar amônia de águas residuais é usar a mecânica do ciclo de absorção térmica amônia-água. Usando esta opção, a amônia pode ser recuperada como um líquido ou como hidróxido de amônio. A vantagem do primeiro é que é muito mais fácil de manusear e transportar, ao passo que o último também tem valor comercial quando é produzida uma concentração de 30% de hidróxido de amônio em solução.

Amônia feita de carvão

O processo para fazer amônia a partir do carvão.

A amônia produzida a partir do carvão é um processo praticado principalmente na China. A China produziu cerca de 32,6% da produção global em 2014, enquanto a Rússia, Índia e os EUA produziram 8,1%, 7,6% e 6,4%. A maior parte de sua amônia veio do carvão. O processamento básico em uma planta de amônia à base de carvão consiste em um módulo de separação de ar para a separação de O2 e N2 do ar, o gaseificador, o módulo de deslocamento de gás ácido, o módulo de remoção de gás ácido e o módulo de síntese de amônia. O oxigênio do módulo de separação de ar é alimentado ao gaseificador para converter carvão em gás de síntese (H2, CO, CO2) e CH4. Existem muitos projetos de gaseificadores, mas a maioria dos gaseificadores é baseada em leitos fluidizados que operam acima da pressão atmosférica e têm a capacidade de utilizar diferentes alimentações de carvão.

Processo Frank-Caro

Adolph Frank e Nikodem Caro descobriram que o N² poderia ser fixado por carboneto de cálcio para formar cianamida de cálcio, que poderia então ser dividido com água para formar amônia.

Planta Perdaman

A maior fábrica do mundo, Perdaman, está localizada na Austrália Ocidental. Produz 3.500 toneladas métricas por dia e 1.277.500 toneladas métricas por ano. A Perdaman Chemicals and Fertilizers (Perdaman) assinou um contrato de licenciamento e engenharia para a solução SynCOR Ammonia da Haldor Topsoe para sua planta de amônia / ureia A $ 4 bilhões em Karratha, Austrália Ocidental. O Stamicarbon foi escolhido como licenciador da ureia e o fornecimento de gás foi garantido. A próxima etapa do projeto era esperada para o final de março de 2020. A Perdaman Chemicals and Fertilizers assinou um contrato vinculativo com a SNC-Lavalin para o trabalho de EPC para seu Projeto de Ureia na Austrália Ocidental.


Remova esta seção. Março de 2020 passou antes dos 16 meses. MOU não é uma produção real ou uma planta real

Subprodutos e escassez devido a paralisações

Um dos principais subprodutos industriais da produção de amônia é o CO 2 . Em 2018, os altos preços do petróleo resultaram em uma paralisação prolongada no verão das fábricas de amônia europeias, causando uma escassez comercial de CO 2 , limitando assim a produção de bebidas carbonatadas, como cerveja e refrigerantes com gás. Esta situação repetiu-se em setembro de 2021 devido ao aumento de 250-400% do preço de atacado do gás natural ao longo do ano.

Veja também

Referências

links externos