Reactor Project: Ammonia Synthesis Josue Villesca, Vidya Bala, Alejandra Garcia http://www.owlnet.rice.edu/~ceng403/nh3syn97.html
Abstract
Ammonia synthesis optimization is a topic of high interest in industry as the market continues to expand and demand increases. This proposed process is designed to produce 1,016 metric tons/day of ammonia at a feed of 5,500 kmol/hr while maintaining the best compromise between production and purity. Simulated in ASPEN with an adiabatic Gibbs reactor, optimal production is achieved at 100 bar reactor pressure and a 7.25% purge stream, resulting in 98.96% 98.96% produc productt stream purity. The simulate simulated d process process is comparable to conventional ammonia synthesis plants. Further economic optimization is focused on compression costs and reactor efficiency. A new ruthenium-based catalyst with higher activity at lower total pressures can be employed enabling the process to run at significantly lower pressures while maintaining high ammonia conversion. Installing this catalyst into a multi-bed radial plug-flow reactor results in an attractive combination of high production and reduced costs that can be custom made for expansion, retrofit, or grassroots projects. I. Introduction
The world's first 1000 metric ton per day single train ammonia synthesis plant was operated by the Mississippi Chemical Corporation in Yazoo City, Mississippi, USA. Common industrial ammonia synthesis processes consist of a syngas feed stream flowing into a compressor and then into a catalytic converter bed. The effluent from the converter bed enters enters a heat heat exchanger, exchanger, is cooled, cooled, then continu continues es into a separation separation device. device. Most Most of the product ammonia is removed, while some continues in a recycle loop with a purge to remove inerts. The recycle stream enters another compressor then rejoins the input stream into the reactor. Ammonia is formed from nitrogen and hydrogen by the reversible reaction given below, and its production is favored by high pressures and low temperatures.
The objective of this reactor project is to design an ammonia synthesis plant and find the optimum operating conditions which will yield 1000 metric tons of ammonia per day. II. Description of the Process
With respect to the reactor, three questions needed to be addressed in modeling a typical ammonia synthesis plant:
1. What kind of reactor: plug flow or Gibbs? 2. Under what operating conditions: adiabatic or isothermal? 3. At what specified temperatures and pressures? The first question, for all practical purposes, was not a choice to make; the simulation was run with a Gibbs reactor because of insufficient kinetic data available to execute a plug flow reactor simulation. This was due to proprietary rights on the catalysts and their resulting kinetic data. The remaining two questions were answered together. In choosing between between an adiabatic adiabatic or isotherm isothermal al reactor, reactor, pressure pressure was varied in the adiabatic adiabatic reactor reactor while holding the temperature of the feed constant, and temperature was varied in the isothermal reactor while holding its pressure constant. The adiabatic Gibbs reactor gave the best results near 100 bar as seen on the graph entitled "Adiabatic Gibbs Reactor." This is close to the point of intersection of the product flow line and the purity line, analogous to the point of equilibrium between supply and demand in economics. Pressure of 100 bar represented the best trade-off between the amount of NH3 produced in the product stream and the purity of the product stream. This pressure was chosen as the constant operating pressure pressure of the isothermal isothermal Gibbs Gibbs reactor. reactor. The isotherm isothermal al Gibbs reactor gave gave the best best results near 275 oC as seen on the graph entitled "Isothermal Gibbs Reactor." This temperature has the same implications as the pressure of 100 bar did for the adiabatic Gibbs reactor.
After obtaining the optimum operating conditions for both the adiabatic and isothermal reactors, the adiabatic was chosen over isothermal for two reasons: 1. Adiabatic reactors are more common in industry. 2. It does not require temperature regulation. The final ammonia plant simulated in ASPEN was based on an adiabatic Gibbs reactor operated at a pressure of 100 bar and modeled with the Peng-Robinson thermodynamic package. Peng-Robinson is well suited for use with gas and hydrocarbon processing and refining. The input feed stream for the process was 5500 kmol/hr at 40 oC at the following mole percentages: 74.2% H2, 24.7% N2, 0.8% CH4, and 0.3% Ar.(1) The product (bottoms) stream from the flash tank produced ammonia at a rate of 1016 metric tons per day (2486 kmol/hr) at a purity of 98.96%. The recycle purge was operated at 7.25% of the flash tops stream or 1.49% of the input feed stream. The remaining pieces of the process flow diagram included two multistage compressors, a heat exchanger, and a flash vessel. The first compressor was modeled as an ideal three stage compressor and increased the pressure of the input feed stream to 100 bar before entering the reactor. The heat exchanger following the reactor used ammonia (assumed to be produced by the plant) as the refrigerant to cool down the process stream from 375 oC to -30 oC before entering the flash vessel. The flash vessel was also operated at -30 oC and had a pressure drop of 5 bar. The second compressor was an ideal two stage compressor and increased the pressure of the recycle stream to 100 bar before merging with the feed stream and entering the reactor.
The Haldor-Topsoe Ammonia Synthesis Process(2) Due to the lack of kinetic data, attempts were made to obtain physical plant data regarding production rates, reactor layouts and sizes, and other operating conditions. Plants contacted included Pacific Ammonia Incorporated in Kitimat, British Columbia, Canada; Dupont in Beaumont, Texas; and Haldor-Topsoe in Clear Lake, Texas. The HaldorTopsoe plant most closely approximated the simulated ammonia plant. Thus, this plant and its associated data were chosen as the real world model of the simulation. The Haldor-Topsoe plant produces over 1500 metric tons per day of NH3 using a two bed converter with internal heat exchangers. This converter is based on the iron-magnetite catalyst, the most commonly used today. Their recycle purge operates at 7.26% of the separation stream or 1.86% of the input feed stream. These numbers strongly agree with the purges of 7.25% and 1.49% in the simulated plant. Comparisons of the entrance stream into and exit stream from the reactors can be made in the following table.
As evidenced, the simulation yielded similar purge percentages and comparable stream compositions. Slightly higher impurity levels of the Haldor-Topsoe feed, resulting in catalyst inhibition, may account for some of the differences. The reactor sizes given were 30 m3 and 75 m3 for the first and second beds, respectively. Of this volume, approximately 2/3 is taken up by the iron-magnetite catalyst. III. Economic Optimization
There are a number of means to further optimize these processes. These are not simulated in ASPEN due to the difficulty in obtaining detailed quantitative data but are presented here as options that would result in a more efficient and economically advantageous process. The primary areas of focus in economic optimization are compression costs and reactor efficiency. High operating pressures applied in industrial practice (>100 bar) are usually necessary for a favorable equilibrium position and high rate of reaction, as well as ammonia recovery at higher temperatures to reduce refrigeration costs. However the compression power necessary to achieve such pressures is one of the most significant expenses in a plant. A means to reduce this cost is to install centrifugal compressors driven by steam turbines, equipment used in modern plants today that take advantage of steam produced elsewhere in the process.(3) While this is of some advantage, it is not the
most significant improvement that can be made. If reactor efficiency can be increased such that lower synthesis pressures can be employed without compromising ammonia conversion, then the costs related to compression and efficiency can be truly reduced and the process economically optimized. This can be achieved through the use of a high activity ruthenium-based synthesis catalyst relatively new to the market. The catalyst is to be used in conjunction with modern reactor designs constructed specifically for its optimal employment. IV. Catalyst
The industrial process of ammonia synthesis has been generally based on the reaction of hydrogen and nitrogen at high pressure over a catalytic surface. Traditionally the catalyst of choice is an iron-based catalyst with magnetite as its major component. An attractive alternative to this catalytic system is proposed here as a means of increasing ammonia conversion at lower pressures, and thus reducing energy consumption in compressors at a lower capital cost. The proposed system utilizes a promoted ruthenium catalyst deposited on thermally modified active carbon, forming porous cylindrical pellets about 0.8 mm in diameter and 3-5 mm long, which has been available to industry relatively recently.(4) This catalyst is up to twenty times more active than fused iron catalyst at relatively high conversion degrees. More importantly, although temperature variations have similar effects on the two catalysts, the effects of ammonia concentration are significantly different. Iron-based catalyst activity depends strongly on PNH3 (partial pressure of ammonia). As PNH3 increases from 1 mol% to 10 mol% the rate of the process decreases 10 to 25-fold. In contrast, the activity of ruthenium-based catalysts is only slightly affected by changes in PNH3, as well as changes in total pressure. Promoted ruthenium catalyst deposited on active graphite therefore has been found to have excellent low pressure and low temperature performance.(5) This is of great importance to industrial practice, taking into account contemporary tendencies to lower the applied pressure and thus reduce energy consumption. Further benefits of using the ruthenium-based catalyst are found in capital cost savings. As lower pressures are used in the process, there is greater flexibility in process compressor driver selection. Thinner-walled and lighter vessels, piping, and fittings can be employed safely, all of which are equipment more commonly fabricated world-wide and therefore cheaper. This new catalyst opens a world of possibilities for industrial ammonia synthesis optimization, maintaining high ammonia conversion and safety standards at significantly reduced costs and increased profit. V. Kellogg Advanced Ammonia Process
In 1979, British Petroleum approached M.W. Kellogg to participate in the development of a new ruthenium-based catalyst. It was known at that time that replacing the conventional iron-based catalyst, which was used for over 80 years, with this new catalyst would increase productivity. Several pilot plant tests were performed using ruthenium supported on a proprietary carbon structure with various co-promoters.(6) It was evident that significant economic benefits would be attained with this new catalyst, and so it was chosen to be an integral part of what is now known as the Kellogg Advanced Ammonia Process (KAAP).
KAAP can be implemented in one of three ways: as an expansion to an already existing plant, as a retrofit design to an already existing plant, or as a grassroots design when building a brand new plant. In 1988, KAAP had its first commercial exposure after Ocelot Ammonia Company in Kitimat, British Colombia (now known as Pacific Ammonia Incorporated or PAI), contracted M.W. Kellogg to evaluate its existing ammonia plant for potential capacity increases and to provide a suitable retrofit design. This company's ammonia plant was ideal for KAAP's first demonstration since its synthesis loop had separate feed streams for hydrogen and nitrogen and allowed the KAAP reactor to be run under a variety of stream ratios.(7) The KAAP system was successfully started up in November of 1992. It consisted of a KAAP reactor which was installed downstream from the magnetite converter already in existence. This KAAP reactor was a two-bed radial flow converter with a unique proprietary sealing system which avoided hot spots within the catalyst bed. The KAAP catalyst was loaded in its oxidized state, just as most catalysts are, although it is only active in the reduced state. Therefore, fresh synthesis gas, which heated the catalyst bed to ~300o, was used to for the reduction process. The synthesis loop operated at the original design pressure of 2000 psia. Partially preheated feed exits a 2-bed Kellogg converter loaded with magnetite catalyst and enters a steam superheater and generator, which generates a pressure of 3000 psia. This feed stream, containing 15% ammonia, then passes into the KAAP converter through a side inlet to the first bed. When the gas leaves the second bed, ammonia concentration is increased to about 19%. A continuous purge is required in this retrofit because the expanded plant contains more inerts than in the original synloop. After the entire KAAP retrofit was completed, PAI had an energy savings of 0.6 mmBTU/mt.(8) This more efficient and highly flexible system has been very easy to operate and has paved the way for grassroots facilities. Grassroots designs are different from retrofit and expansion designs in that they use 3 and 4 bed intercooled reactors. The first bed uses conventional iron catalyst while the remaining beds utilize the highly active KAAP catalyst. The reason for this is so that the iron catalyst can take advantage of high ammonia reaction rates at low ammonia concentrations. As the reaction progresses, however, the ammonia concentrations increase, and the iron catalyst loses its effectiveness.(9) The KAAP catalyst is then used to produce high exit ammonia concentrations at low pressures, since it can be used at high ammonia concentrations. The grassroots ammonia plants typically utilize KAAP in conjunction with KRES, the Kellogg Reforming Exchange System. Together, these processes have a multitude of benefits, several of which stem from the sole implementation of KAAP. The lower pressure synthesis loop, which leads to significant capital savings, results from the use of a single case gas compressor with thinner walled and lighter vessels, fittings, and pipings. This synthesis loop is also advantageous in that it uses energy more efficiently by recovering heat at a much higher temperature, yielding a 40% decrease in energy conversion relative to conventional designs.(10) Since the synthesis loop is less complex than in other plants, operator attention is expected to be less as well. In addition, all of these benefits bring with them an expectation of greater reliability. VI. Conclusion
The proposed ammonia synthesis design produces 1,016 metric tons/day of ammonia at a feed of 5,500 kmol/hr. Although the lack of kinetic data deterred the completion of the plug flow simulation, a Gibbs reactor successfully emulated the desired results. The Haldor-Topsoe plant in Clear Lake, Texas, was chosen as the model for the conventional ammonia plant due to its comparable operation to the proposed simulation and its use of iron-based catalyst. This process could be further optimized by lowering compression costs and utilizing a more efficient reactor. Replacing the conventional catalyst with the new ruthenium-based catalyst in a multi-bed reactor can achieve these goals. The industrial process may be safely and productively operated at lower temperatures, thus reducing costs and increasing profit. M.W. Kellogg takes full advantage of this superior catalyst in its breakthrough technology known as the Kellogg Advanced Ammonia Process, or KAAP. KAAP, implemented as either a retrofit, expansion, or grassroots design, has proven to have significant benefits, such as reduced capital costs and energy savings. Kellogg's new ammonia synthesis configuration leads to a economically advantageous and flexible ammonia plant. VII. Endnotes
1. Catalytic Ammonia Synthesis: Fundamentals and Practice, edited by J.R. Jennings Plenum Press, New York, NY, 1991. 2. Phone conversation with Haldor-Topsoe Ammonia Synthesis Plant in Clear Lake, Texas. 3. Stephen A. Noe, "Catalytic Reactor Bed," US Patent 5 250 270 (1993) to Kellogg Company 4. Zbigniew Kowalczyk, Slawomir Jodiz, Jan Sentek, "Studies on Kinetics of Ammonia Synthesis Over Ruthenium Catalyst Supported on Active Carbon," Applied Catalysis A: General. vol 138 (1996) p.83-91 5. Ibid 6. "KAAP: Kellogg Advanced Ammonia Process", The M.W. Kellogg Company 7. Ibid 8. Ibid 9. T.A. Czuppon, S.A. Knez, R.B. Strait, "Commercial Review of KAAP and KRES" The M.W. Kellogg Technology Co., presented at AIChE Safety Symposium (Sept. 1996) Boston, MA. 10. J.R. Leblanc, "Ammonia 2000 Kellogg Technology for the Future", Asia Nitrogen `96, Singapore VIII. References
Catalytic Ammonia Synthesis: Fundamentals and Practice, edited by J.R. Jennings
Plenum Press, New York, NY, 1991. "Ammonia", Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Engineering Technology, 4th ed., Vol 2, (1991) pp. 638-691. Anders Nielsen, Jorgen Kjaer. Bennie Hansen. "Rate Equation and Mechanism of Ammonia Synthesis at Industrial Conditions", Journal of Catalysis, Vol 3, (1964) pp. 6879. D.C. Dyson, J.M. Simon, "A Kinetic Expression with Diffusion Correction for Ammonia Synthesis on Industrial Catalyst", I & EC Fundamentals, Vol 7, (1968) pp. 604-610. "Ammonia", Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol A2, (1980) pp. 152-209. Zbigniew Kowalczyk, Slawomir Jodiz, Jan Sentek, "Studies on Kinetics of Ammonia Synthesis Over Ruthenium Catalyst Supported on Active Carbon", Applied Catalysis A: General, Vol 138, (1996) pp. 83-91. Stephen A. Noe, "Catalytic Reactor Bed", US Patent 5 250 270 (1993) to Kellogg Company. "Ammonia", The M.W. Kellogg Technology Company. J.R. Leblanc, "Ammonia 2000 Kellogg Technology for the Future", Asia Nitrogen `96, Singapore. T.A. Czuppon, S.A. Knez, R.B. Strait, "Commercial Review of KAAP and KRES", The M.W. Kellogg Technology Co., presented at AIChE Safety Symposium (Sept. 1996) Boston, MA. "KAAP: Kellogg Advanced Ammonia Process", The M.W. Kellogg Company. IX. Appendix
Tradução
Abstrato Otimização de síntese de amônia é um tema de grande interesse na indústria como o mercado continua em expansão e aumenta a demanda. Este processo proposto é projetada para produzir 1.016 toneladas / dia de amônia em um feed de 5.500 kmol / h, mantendo o melhor compromisso entre a produção e pureza. Simulado em ASPEN com um adiabático Gibbs reactor, a produção óptima é conseguida a 100 bar e pressão do reactor uma corrente de purga 7,25%, resultando em pureza 98,96% de produto de fluxo. O processo simulado é comparável às plantas de síntese convencionais de amoníaco. Otimização econômica ainda está focada em custos de compressão e eficiência do reator. Um catalisador de rutênio baseado novo com maior atividade em baixas pressões totais podem ser empregados permitindo que o processo para executar a pressões significativamente mais baixos, mantendo a conversão de amônia alta. A instalação deste catalisador em uma multi-cama radiais resultados plug-flow reactor em uma combinação atraente de alta produção e redução de custos que podem ser feitos para a expansão, retrofit, ou projetos de base. I. Introdução
Tonelada do mundo 1000 da primeira métrica por dia planta síntese trem de amônia foi operado pelo Mississippi Chemical Corporation nos Yazoo City, Mississippi, EUA. Comuns processos de síntese de amoníaco industriais consistem de uma corrente de alimentação de gás de síntese que flui para um compressor e, em seguida, num leito catalisador. O efluente do leito conversor entra num permutador de calor, é arrefecida, em seguida, continua em um dispositivo de separação. A maior parte do amoníaco produto é removido, enquanto alguns continua num ciclo de reciclagem com uma purga para remover substâncias inertes. O fluxo de reciclagem entra outro compressor, em seguida, junta-se o fluxo de entrada para dentro do reactor. O amoníaco é formada a partir de azoto e hidrogénio pela reacção reversível dada abaixo, e sua produção é favorecida por altas pressões e temperaturas baixas.
O objetivo deste projeto de reator é projetar uma planta de síntese de amônia e encontrar as condições óptimas que irão produzir 1000 toneladas de amônia por dia. II. Descrição do Processo No que diz respeito ao reactor, três perguntas precisava de ser dirigida em modelar uma planta síntese típica amoníaco: 1. Que tipo de reactor: fluxo de ficha ou Gibbs? 2. Em que condições operacionais: adiabática ou isotérmica? 3. A que temperaturas especificadas e pressões? A primeira pergunta, para todos os efeitos práticos, não foi uma escolha a fazer, a simulação foi executado com um reator de Gibbs devido à insuficiência de dados cinéticos disponíveis para executar um plug simulação do reator de fluxo. Isto deveuse os direitos de propriedade sobre os catalisadores e seus resultantes de dados cinéticos. As restantes duas perguntas
foram respondidas em conjunto. Na escolha entre um reactor adiabático ou isotérmico, a pressão foi variada no reactor adiabático, mantendo a temperatura da alimentação constante, ea temperatura foi variada no reactor isotérmico enquanto mantém a sua pressão constante. O reator adiabático Gibbs deu os melhores resultados perto de 100 bar como pode ser visto no gráfico intitulado "adiabático Reactor Gibbs." Isto é próximo do ponto de intersecção da linha de fluxo de produto e da linha de pureza, análogo ao ponto de equilíbrio entre a oferta e procura na economia. A pressão de 100 bar representado o melhor compromisso entre a quantidade de NH3 produzido na corrente de produto e da pureza do fluxo de produto. Esta pressão foi escolhida como a pressão de operação constante do reactor de Gibbs isotérmico. O reator de Gibbs isotérmica proporcionou os melhores resultados perto de 275 ° C como pode ser visto no gráfico intitulado "Reactor Gibbs isotérmico." Esta temperatura tem as mesmas implicações como a pressão de 100 bar fez para o reactor de Gibbs adiabático.
Após a obtenção das condições de operação óptimas para ambos os reactores adiabáticos e isotérmico, o adiabático foi escolhido sobre isotérmico por duas razões: 1. Reatores adiabáticos são mais comuns na indústria. 2. Ele não requer regulação da temperatura. A planta de amoníaco final de simulado em ASPEN baseou-se em um reactor adiabático Gibbs operado a uma pressão de 100 bar e modelada com o pacote termodinâmico PengRobinson. Peng-Robinson é bem adequado para uso com gás e de hidrocarbonetos de processamento e de refinação. A corrente de alimentação de entrada para o processo era 5500 kmol / hr a 40 ° C em percentagens molares seguintes:. 74,2% de H2, N2 24,7%, 0,8% CH4 e 0,3% de Ar (1) O fluxo de
produto (fundo) do flash tanque produzido amoníaco a uma taxa de 1016 toneladas por dia (2486 kmol / h) com uma pureza de 98,96%. A purga de reciclagem foi operado a 7,25% do fluxo de topos flash ou 1,49% da corrente de alimentação de entrada. As peças restantes do diagrama de fluxo de processo incluiu dois compressores de múltiplos estágios, um trocador de calor, e uma embarcação flash. O primeiro compressor foi modelada como um compressor de estágio ideal três e aumentou a pressão da corrente de alimentação de entrada para 100 bar antes de entrar no reactor. O permutador de calor na sequência do reactor utilizado amoníaco (assumido a ser produzido pela planta) como fluido refrigerante para arrefecer a corrente de processo a partir de 375 oC a -30 ° C antes de entrar no vaso de flash. O vaso de flash foi também operado a -30 ° C e tinha uma queda de pressão de 5 bar. O segundo compressor era um compressor de estágio ideal dois e aumentou a pressão do fluxo de reciclagem a 100 bar antes de se fundir com a corrente de alimentação e de entrar no reactor.
O Haldor-Topsoe processo de síntese de amônia (2) Devido à falta de dados cinéticos, foram feitas tentativas para obter dados de plantas físicas em relação às taxas de produção, layouts de reatores e tamanhos, e outras condições de operação. Plantas contactado incluído Pacífico Amônia Constituída em Kitimat, British Columbia, Canadá; Dupont em Beaumont, Texas, e Haldor-Topsoe em Clear Lake, Texas. A planta Haldor-Topsoe que mais se aproxima da planta de amônia simulado. Assim, esta planta e os seus dados associados foram escolhidos como o modelo do mundo real da simulação. A planta Haldor-Topsoe produz mais de 1500 toneladas por dia de NH3 usando um conversor de cama dois com trocadores de calor internos. Este conversor baseia-se no catalisador de ferro
magnetite, hoje o mais vulgarmente utilizado. A sua purga de reciclagem opera a 7,26% do fluxo de separação ou de 1,86% da corrente de alimentação de entrada. Estes números concordam fortemente com os expurgos de 7,25% e 1,49% na planta simulada. Comparações do fluxo de entrada e de saída de fluxo a partir dos reactores pode ser feita na tabela a seguir.
Como evidenciado, a simulação produziu percentagens de purga e composições similares de fluxo comparáveis. Níveis de impureza ligeiramente mais elevados do alimento para animais Haldor Topsoe-, resultando na inibição de catalisador, pode ser responsável por algumas das diferenças. Os tamanhos de reactores foram dadas a 30 m3 e 75 m3 para os leitos primeiro e segundo, respectivamente. Deste volume, aproximadamente 2/3 é retomado pelo catalisador de ferro magnetite. III. Otimização Econômica Há um número de meios para optimizar ainda mais estes processos. Estes não são simulados em Aspen, devido à dificuldade na obtenção de dados detalhados quantitativos, mas são aqui apresentados como opções que resultariam num processo mais eficiente e economicamente vantajoso. As principais áreas de foco na otimização econômica são os custos de compressão e eficiência do reator. Pressões de operação elevadas aplicadas na prática industrial (> barra 100) são geralmente necessários para uma posição de equilíbrio favorável e alta taxa de reacção, assim como a recuperação de amoníaco a temperaturas mais elevadas para reduzir os custos de refrigeração. No entanto, a potência de compressão necessária para atingir essas pressões é uma das despesas mais significativas em uma planta. Um meio para reduzir este custo é instalar compressores centrífugos movidas por turbinas a vapor, o equipamento utilizado em instalações modernas hoje que tirar vantagem de vapor produzido em qualquer outra parte do processo. (3) Enquanto isto é de alguma vantagem, não é a melhoria mais significativa que podem ser feitas. Se a eficiência
do reactor pode ser aumentada de tal modo que as pressões mais baixas de síntese podem ser empregues, sem comprometer a conversão de amoníaco, em seguida, os custos relacionados com a compressão e eficiência pode ser verdadeiramente reduzida eo processo economicamente optimizada. Isto pode ser conseguido através da utilização de um catalisador de alta actividade síntese ruténio baseado relativamente novo para o mercado. O catalisador é para ser utilizado em conjunto com modelos de reactores modernos construídos especificamente para seu emprego ideal. IV. Catalisador O processo industrial de síntese de amoníaco tem sido geralmente baseada na reacção de hidrogénio e azoto a alta pressão sobre uma superfície catalítica. Tradicionalmente, o catalisador de escolha é um catalisador à base de ferro com magnetite como seu componente principal. Uma alternativa atraente para este sistema catalítico é aqui proposto como um meio de conversão de amoníaco a aumentar a pressões mais baixas, e assim reduzindo o consumo de energia em compressores, a um custo de capital mais baixo. O sistema proposto utiliza um catalisador promovido de ruténio depositados sobre carbono activo termicamente modificada, formando porosos pastilhas cilíndricas cerca de 0,8 mm de diâmetro e 3-5 mm de comprimento, que está disponível para a indústria relativamente pouco tempo. (4) Este catalisador é de até vinte vezes mais ativo do catalisador de ferro fundido em graus de conversão relativamente altas. Mais importante ainda, embora variações de temperatura têm efeitos semelhantes sobre os dois catalisadores, os efeitos da concentração de amoníaco são significativamente diferentes. À base de ferro actividade do catalisador depende fortemente PNH3 (pressão parcial de amoníaco). Como PNH3 aumentos de 1% mol a 10 mol% da taxa do processo diminui em 10 a 25-vezes. Em contraste, a actividade de catalisadores à base de ruténio é apenas ligeiramente afectada por alterações no PNH3, bem como alterações na pressão total. Promovida ruténio catalisador depositado sobre grafite activo, por conseguinte,
tem sido encontrado para ter a baixa pressão e excelente desempenho a baixa temperatura (5). Isto é de grande importância para a prática industrial, tendo em conta as tendências contemporâneas para baixar a pressão aplicada e, assim, reduzir o consumo de energia. Outras vantagens da utilização do catalisador de ruténio baseado são encontrados em economias de custo de capital. Como as pressões mais baixas são utilizados no processo, há uma maior flexibilidade no processo de selecção motor do compressor. Navios paredes mais finas e mais leves, tubagens, e acessórios podem ser empregues de forma segura, todos os quais são equipamento mais vulgarmente fabricado em todo o mundo e, portanto, mais barato. Este novo catalisador abre um mundo de possibilidades para a otimização industrial amônia síntese, a manutenção de conversão de amônia alto e normas de segurança com custos significativamente reduzidos e aumento de lucro. V. Kellogg Processo Amônia avançada Em 1979, British Petroleum aproximou MW Kellogg a participar no desenvolvimento de um catalisador de ruténio baseado novo. Era conhecido em que o tempo que a substituição do catalisador à base de ferro convencional, o qual foi utilizado para mais de 80 anos, com este novo catalisador iria aumentar a produtividade. Vários testes de plantas piloto foram realizadas utilizando ruténio suportado em uma estrutura de carbono proprietário com vários co-promotores. (6) Era evidente que significativos benefícios económicos seria alcançado com o presente novo catalisador, e por isso foi escolhido para ser uma parte integrante do que agora é conhecido como o Processo de amônia Kellogg Avançada (Kaap). Kaap pode ser implementado em uma de três maneiras: como uma expansão de uma planta já existente, como um retrofit projeto para uma planta já existente, ou como um projeto popular na construção de uma nova planta. Em 1988, Kaap teve sua primeira exposição comercial após Empresa Ocelot
amônia em Kitimat, Colúmbia Britânica (agora conhecido como amônia Pacific Incorporated ou PAI), contratado MW Kellogg para avaliar a sua planta de amônia existente para aumentos de capacidade e potencial para fornecer um projeto de retrofit adequado. Esta planta da empresa de amônia foi ideal para a primeira demonstração Kaap desde o seu ciclo de síntese teve correntes de alimentação separadas para hidrogênio e nitrogênio e permitiu que o reator Kaap para ser executado sob uma variedade de índices de fluxo (7). O sistema Kaap foi iniciado com sucesso em novembro de 1992. Ela consistia de um reator Kaap que foi instalado a jusante do conversor de magnetita já existentes. Este reactor era um Kaap duas cama-conversor de fluxo radial com um sistema de vedação patenteada única que evitou pontos quentes no interior do leito de catalisador. O catalisador Kaap foi carregado no seu estado oxidado, tal como a maioria dos catalisadores são, embora seja apenas activa no estado reduzido. Por conseguinte, o gás de síntese fresco, que aquecida do leito do catalisador para ~ 300o, foi usado para para o processo de redução. O loop síntese operado à pressão de desenho original de 2000 psia. Parcialmente pré-aquecido sai de alimentação uma cama 2-conversor Kellogg carregado com o catalisador de magnetite e entra um sobreaquecedor vapor e do gerador, que gera uma pressão de 3000 psia. Esta corrente de alimentação, contendo amónia a 15%, em seguida, passa para o conversor de Kaap através de uma entrada de um lado para o primeiro leito. Quando o gás sai da segunda cama, a concentração de amoníaco é aumentada para cerca de 19%. A purga contínua é necessária nesse retrofit, porque a planta expandido contém inertes mais do que no synloop original. Após a Kaap todo retrofit foi concluída, PAI teve uma economia de energia de 0,6 MMBTU / mt. (8) Este sistema mais eficiente e altamente flexível tem sido muito fácil de operar e abriu o caminho para as instalações de base. Projetos de base são diferentes de retrofit e projetos de expansão em que eles usam 3 e 4 reatores de leito intercooler. A primeira cama usa catalisador de ferro convencional, enquanto os leitos restantes utilizam o catalisador Kaap
altamente ativa. A razão para isto é que o catalisador de ferro pode tirar vantagem das taxas de reacção de amoníaco em concentrações elevadas de amoníaco baixos. À medida que a reacção progride, no entanto, o amoníaco aumento de concentrações, e do catalisador de ferro perde a sua eficácia. (9) O catalisador Kaap é então utilizado para produzir concentrações de saída de alta amónia a baixas pressões, uma vez que pode ser usado em concentrações de amoníaco elevadas. As plantas de base de amônia normalmente utilizam Kaap em conjunto com Kres, a Kellogg Sistema de Intercâmbio de reforma. Juntos, esses processos têm uma infinidade de benefícios, muitos dos quais resultam da aplicação exclusiva de Kaap. O loop inferior a síntese de pressão, o que conduz a economias significativas de capital, os resultados da utilização de um único compressor caso de gás com os navios mais fino e mais leve paredes, acessórios, e tubulações. Este lacete síntese é também vantajoso na medida em que utiliza energia de forma mais eficiente através da recuperação de calor a uma temperatura muito mais alta, obtendo-se uma diminuição de 40% na conversão de energia em relação aos desenhos convencionais. (10) Uma vez que o ciclo de síntese é menos complexo do que em outras plantas, atenção do operador se espera que seja menos tão bem. Além disso, todos esses benefícios trazem consigo uma expectativa de maior confiabilidade. VI. Conclusão O projeto proposto síntese de amônia produz 1.016 toneladas / dia de amônia em um feed de 5.500 kmol / h. Embora a falta de dados cinéticos dissuadido a conclusão da simulação de fluxo tampão, um reactor de Gibbs com sucesso emulado os resultados desejados. A planta Haldor Topsoe-em Clear Lake, Texas, foi escolhido como o modelo para a fábrica de amoníaco convencional devido à sua operação comparável à simulação proposto eo seu uso do ferro baseado catalisador. Este processo pode ser optimizadas por redução dos custos de compressão e utilizando um reactor mais eficiente. Substituição
do catalisador convencional com o catalisador de rutênio baseado novo em um reator multi-cama pode alcançar essas metas. O processo industrial pode ser operado com segurança e produtivamente a temperaturas mais baixas, reduzindo assim os custos e aumentando o lucro. MW Kellogg tira o máximo partido deste catalisador superior em sua tecnologia de ponta conhecida como Processo de amônia Kellogg avançada, ou Kaap. Kaap, implementado como qualquer um retrofit, expansão ou de base design, provou ter benefícios significativos, tais como custos de capital reduzidos e economia de energia. Configuração Kellogg nova síntese de amoníaco conduz a uma fábrica de amoníaco economicamente vantajosa e flexível. VII. Notas 1. Síntese de amônia catalítico: Fundamentos e Prática, editado por JR Jennings Plenum Press, New York, NY, 1991. 2. Conversa por telefone com Haldor-Topsoe Planta de síntese de amônia em Clear Lake, Texas. 3. Stephen A. Noe, "Bed reator catalítico", Patente dos EUA 5 250 270 (1993) a Companhia Kellogg 4. Zbigniew Kowalczyk, Slawomir Jodiz, Jan Sentek, "Estudos sobre a cinética de síntese de amônia sobre catalisador de rutênio suportado em carvão ativo," Applied Catalysis A: General. vol 138 (1996) p.83-91 5. Ibidem 6. "Kaap: Kellogg Processo Amônia Avançado", O MW Kellogg Company 7. Ibidem 8. Ibidem
9. T.A. Czuppon, SA Knez, RB Estreito, "Revisão Comercial de Kaap e Kres" A Kellogg MW Technology Co., apresentado no Simpósio Segurança AIChE (Set. 1996) Boston, MA. 10. JR Leblanc, "Amônia 2000 Kellogg Tecnologia para o Futuro", na Ásia nitrogênio `96, Singapura VIII. Referências Síntese de amônia catalítico: Fundamentos e Prática, editado por JR Jennings Plenum Press, New York, NY, 1991. "O amoníaco", Enciclopédia Kirk-Othmer de Tecnologia Química Engineering, 4 ª ed., Vol. 2, (1991) pp 638-691. Anders Nielsen, Jorgen Kjaer. Bennie Hansen. "Equação da taxa e mecanismo de síntese de amônia em condições industriais", Journal of Catalysis, Vol. 3, (1964) pp 68-79. DC Dyson, JM Simon, "uma expressão cinética com correção de Difusão para a síntese de amônia em Catalisador Industrial", I e Fundamentos da CE, Vol. 7, (1968) pp 604-610. "O amoníaco", Encyclopedia Ullman of Industrial Chemistry, Vol. A2, (1980) pp 152-209. Zbigniew Kowalczyk, Slawomir Jodiz, Jan Sentek, "Estudos sobre a cinética de síntese de amônia de mais de Rutênio catalisador suportado sobre carvão activo", a Applied Catalysis A: General, Vol. 138, (1996) pp 83-91. Stephen A. Noe, "Bed reator catalítico", Patente dos EUA 5 250 270 (1993) a Kellogg Company. "Amônia", A Companhia de Tecnologia de M.W. Kellogg. JR Leblanc, "Amônia 2000 Kellogg Tecnologia para o Futuro", na Ásia nitrogênio `96, de Cingapura.
T.A. Czuppon, SA Knez, RB Estreito, "Revisão Comercial de Kaap e Kres", o MW Kellogg Technology Co., apresentado no Simpósio Segurança AIChE (Set. 1996) Boston, MA. "Kaap: Kellogg Processo Amônia Avançado", O MW Kellogg Company. IX. Apêndice Desfazer edições
