fertilizantes nitrogenados

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Processos de produção de fertilizantes nitrogenados: amônia, ácido nítrico, uréia, nitrato de amônio, sulfato de amônio, MAP e DAP

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Page 1: Fertilizantes nitrogenados

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Page 2: Fertilizantes nitrogenados

HORACIMAR PINHEIRO COTRIM

LEONARDO PEÇANHA OZORIO

FERTILIZANTES NITROGENADOS

Trabalho apresentado ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Biocombustíveis e Petroquímica, Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como requisito à aprovação na disciplina de Fertilizantes. Prof. D. Sc. Valeria Castro de Almeida

RIO DE JANEIRO

2011

Page 3: Fertilizantes nitrogenados

i

Sumário

Lista de figuras ......................................................................................................................... ii

Lista de Equações .................................................................................................................... v

Lista de tabelas ........................................................................................................................ vi

1. Introdução ........................................................................................................................ 1

1.1. Fertilizantes nitrogenados ......................................................................................... 3

1.2. Aplicação de fertilizantes no Brasil ............................................................................ 5

1.3. Importância econômica ............................................................................................. 8

1.4. Cenário de produção de fertilizantes nacional .......................................................... 9

2. Insumos nitrogenados para a produção de fertilizantes ................................................ 11

2.1 Processo de produção de amônia ........................................................................... 11

2.1.1 Cenário de produção de amônia no Brasil ....................................................... 13

2.1.2 Preparo do gás de síntese ............................................................................... 15

2.1.3 Aspectos termodinâmicos da síntese de amônia ............................................. 28

2.1.4 Aspectos cinéticos da síntese de amônia ........................................................ 30

2.1.5 Processo .......................................................................................................... 36

2.2 Processo de produção de ácido nítrico ................................................................... 44

2.2.1 Processo .......................................................................................................... 45

2.2.2 Produção do ácido nítrico diluído (30%-70%) .................................................. 47

2.2.3 Produção do ácido nítrico concentrado (98-99%) ............................................ 63

3. Processos de produção de fertilizantes nitrogenados ................................................... 66

3.1 Processo de produção de uréia .............................................................................. 66

3.1.1 Características do processo ............................................................................. 66

3.1.2 Processos de produção ................................................................................... 75

3.1.3 Tecnologia de formação do produto ................................................................ 84

3.2 Processo de produção de nitrato de amônio ........................................................... 86

3.3 Processo de produção de sulfato de amônio .......................................................... 95

3.4 Processo de produção de MAP e DAP ................................................................. 100

4. Conclusão .................................................................................................................... 108

Referências .......................................................................................................................... 109

Page 4: Fertilizantes nitrogenados

ii

Lista de figuras

Figura 1: Fluxograma da cadeia produtiva de fertilizantes (SEAE, 2011) .............................. 3 Figura 2: Produção de fertilizantes nitrogenados (Fertipar) .................................................... 4 Figura 3: Consumo de fertilizantes no Brasil, por cultura no ano de 2004 (ANDA) ................ 5 Figura 4: Produção e vendas de fertilizantes, no Brasil. (ANDA) ........................................... 6 Figura 5: Balança comercial de fertilizantes, no Brasil (ANDA) .............................................. 6 Figura 6: Produção, consumo, exportação e importação de fertilizantes nitrogenados, no Brasil (ANDA) .......................................................................................................................... 7 Figura 7: Reator de amônia TVA (Tennessee Valley Authority) (Adaptado de MURASE; ROBERTS; CONVERSE, 1970) ............................................................................................ 13 Figura 8: Distribuição de produção de amônia no Brasil (Elaboração própria) .................... 14 Figura 9: Matéria prima utilizada na produção de amônia no Brasil (Elaboração própria) ... 14 Figura 10: Aplicação da amônia no Brasil (Elaboração própria) ........................................... 15 Figura 11: Pré-aquecimento dos reagentes a 593ºC – Oxidação parcial da mistura – Composição de equilíbrio (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989). .................................................. 19 Figura 12: Bases principais de produção de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989). ........ 19 Figura 13: Efeito da razão CH4:H2O na reforma adiabática para produção de H2 (Elaboração própria) .................................................................................................................................. 25 Figura 14: Dependência da entalpia de reação com a temperatura (Elaboração própria) ... 29 Figura 15: Equilíbrio da síntese de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ....................... 29 Figura 16: Taxa de reação da síntese de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ............. 33 Figura 17: Determinação da taxa máxima de reação da síntese de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ................................................................................................................. 33 Figura 18: Perfil de temperatura e fração molar de amônia simulado para um reator autotérmico TVA (Tennessee Valley Authority), considerando a cinética de Temkin e Pyzhev (elaboração própria) .............................................................................................................. 34 Figura 19: Influência da razão H2:N2 na temperatura de reação ao longo de um reator autotérmico TVA (elaboração própria) ................................................................................... 34 Figura 20: Influência da %inertes da alimentação na temperatura de reação ao longo de um reator autotérmico TVA (elaboração própria) ........................................................................ 35 Figura 21: Influência da pressão na temperatura de reação ao longo de um reator autotérmico TVA (elaboração própria) ................................................................................... 35 Figura 22: Esquema básico do reciclo de síntese de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ............................................................................................................................................... 38 Figura 23: Exemplos de reatores de síntese de amônia ...................................................... 39 Figura 24: Reatores de síntese de amônia: Tecnologia Casale (a) e (b), Conversor S-300 Haldor Topsoe (c), Conversor Uhde (d) ................................................................................ 39 Figura 25: Síntese de amônia pela oxidação parcial de hidrocarbonetos ............................ 40 Figura 26: Síntese de amônia pela reforma a vapor de hidrocarbonetos ............................. 40 Figura 27: Processo KBR de produção de amônia ............................................................... 41 Figura 28: Processo Haldor Topsoe de produção de amônia .............................................. 41 Figura 29: Processo Casale de produção de amônia padrão ............................................... 42 Figura 30: Processo Casale de produção de amônia de grande capacidade ...................... 42 Figura 31: Processo Uhde Dual-Pressure de produção de amônia ..................................... 43 Figura 32: Processo Ostwald ................................................................................................ 46

Page 5: Fertilizantes nitrogenados

iii

Figura 33: Foto da tela de platina-ródio por microscopia de varedura eletrônica (A-Estágio inicial; B-Estágio altamente ativado) (ULLMANN, 2005) ....................................................... 50 Figura 34: Conversão da amônia para óxido nítrico sobre tela de platina como função da temperatura (a – 100 kPa; b – 400 kPa) (ULLMANN, 2005) ................................................. 52 Figura 35: Perda de metais preciosos na combustão de amônia para óxido nitríco como função da temperatura e composição do catalisador ((a) Pt; (b) Pt-Rh 98/2; (c) Pt-Rh 90/10) (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 52 Figura 36: Conversão da amônia para óxido nítrico sobre tela de platina (a) e perdas de platina (b) como uma função da composição do catalisador (ULLMANN, 2005) .................. 53 Figura 37: Diagrama de processo de uma planta de ácido nítrico usando o processo de pressão única (EPA, 2010) .................................................................................................... 54 Figura 38: Reatores de oxidação catalítica da amônia ((a) sistema de recuperação de calor - Lentjes; (b) sistema integrado de recuperação de calor - Steinmüller) (ULLMANN, 2005) .. 54 Figura 39: Modelo não estequiométrico da absorção de óxidos de nitrogênio em água (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 59 Figura 40:Torre de absorção ((a) entrada de gás nitroso, (b) comportimento interno, (c) compartimento externo) (ULLMANN, 2005) .......................................................................... 60

Figura 41:Diagrama de Toniolo para uma torre de absorção (AB processo de absorção;

BC processo de oxidação) (ULLMANN, 2005) .................................................................. 61 Figura 42: Planta de pressão dupla da Uhde Krupp (MAURER; BARTSCH, 2001) ............. 62 Figura 43:Equilíbrio líquido-vapor para ácido nítrico-água (MAURER; BARTSCH, 2001) ... 63 Figura 44:Diagrama de fase para o sistema HNO3-H2O (MATHESWARAN et al, 2007) ..... 63 Figura 45:Equilíbrio líquido-vapor para ácido nítrico-água e H2SO4 (MAURER; BARTSCH, 2001)...................................................................................................................................... 64 Figura 46:Fluxograma de processo simplificado para um processo de produção direto de ácido nítrico concentrado com oxigênio (ULLMANN, 2005) .................................................. 65 Figura 47:Equilíbrio físico-químico da produção da uréia (ULLMANN, 2005) ...................... 67 Figura 48:Conversão de CO2 em equilíbrio químico em função da temperatura – NH3:CO2 = 3,5; H2O:CO2 = 0,25 (mistura inicial) (ULLMANN, 2005) ....................................................... 68 Figura 49:Conversão de NH3 em equilíbrio químico em função da temperatura – NH3:CO2 = 3,5; H2O:CO2 = 0,25 (mistura inicial) (ULLMANN, 2005) ....................................................... 69 Figura 50:Rendimento de uréia na fase líquida em equilíbrio químico em função da temperatura – NH3:CO2 = 3,5; H2O:CO2 = 0,25 (mistura inicial) (ULLMANN, 2005) ............. 69 Figura 51:Rendimento de uréia na fase líquida em equilíbrio químico em função da razão H2O:CO2 – NH3:CO2 = 3,5; T = 190ºC (mistura inicial) (ULLMANN, 2005) ........................... 70 Figura 52:Rendimento de uréia na fase líquida em equilíbrio químico em função da razão NH3:CO2 – H2O:CO2 = 0,25; T = 190ºC (mistura inicial) (ULLMANN, 2005) ......................... 71 Figura 53:Diagrama de processo típico para uma planta de uréia: a) compressor de CO2; b) bomba de alta pressão de amônia; c) reator de uréia; d) vaso de decomposição de média pressão; e) coluna de separação de amônia-carbamato; f) vaso de decomposição de baixa pressão; g) evaporador; h) prilling; i) desabsorvedora. j) seção de condensação a vácuo (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 80 Figura 54:Diagrama conceitual de balanço térmico de um processo convencional de uréia (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 80 Figura 55:Integraçaõ térmica de uma planta de esgotamento na forma de conceitual (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 81

Page 6: Fertilizantes nitrogenados

iv

Figura 56: Produção de uréia – Processo convencional Mitsui Toatsu (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ................................................................................................................. 81 Figura 57: Produção de uréia – Processo Stamicarbon (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) .... 82 Figura 58: Neutralizador (Soc. Belge de l'azote - SBA); A) nível de enchimento; a) tubo de alimentação de amônia; b) tubo de alimentação de ácido nítrico; c) tubo de alimentação opcional de vapor; d) do tubo interno; e) compartimento interno; f) compartimento exterior; g) câmara vapor; h) topo do neutralizador; i) tomada de vapor; k) Container; l) saída da solução (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 87 Figura 59: Processo UCB. a) Reator; b) Lavadora; c) Evaporador de filme descendente (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 88 Figura 60: Processo Stamicarbon: a) Neutralizador; b) Tanque intermediário; c) Surplus steam condenser; d) Purificador de Amônia; e) Condensador; f) Tanque de solução de amônia diluída; g) Tanque de condensado; h) Resfriador; i) Evaporador; k) Separador; l) Seal pot; m) tanque de armazenamento de solução de nitrato de amônio 95% (ULLMANN, 2005)...................................................................................................................................... 89 Figura 61: NSM/Norsk Hydro process; a) Evaporador de amônia/ superaquecedor; b) Pré-aquecedor do ácido nítrico; c) Caldeira; d) Reator; e) Separador; f) Scrubber; g) Flash; h) Evaporador; i) Separador; k) Condensador; l) Ejetor; m) Tanque (ULLMANN, 2005) .......... 90 Figura 62: Processo BASF para conversão do nitrato de calico; a) Torre de absorção; b) Condensador; c) Solução de NH4NO3 – (NH4)2CO3; d) Solução NH4NO3 suja; e) Vaso de Reação; f) Decantador; g) Filtro de classificação; h) Filtro de correia (ULLMANN, 2005) .... 92 Figura 63: Processo ICI com torre prilling; a) Neutralizadores de Nitrato de Amônio; b) Evaporador de filme descendente; c) Filtro; d) Torre Prilling; e) Peneira (ULLMANN, 2005) 93 Figura 64: Processos de reciclo de sal; a) parafuso de granulação; b) Tambor de Secagem; c) Tambor de resfriamento; d) Telas; e) Triturador ................................................................ 94 Figura 65: Saturador de sulfato de amônio; a) centrífuga; b) tanque de licor mãe ............... 97 Figura 66: Processo PhoSAI para produção de grãos de MAP ; a) Fan; b) Separador; c) Lavadora de gases; d) Reator; e) Pin mixer; f) Tela; g) Oversize crusher .......................... 101 Figura 67: Processo Hydro Minifos para MAP; a) Evaporador de amônia; b) Reator pressurizado; c) Torre Spray ............................................................................................... 101 Figura 68: ERT – Processo Espindesa para DAP; a) Vaso tampão; b) Lavadora; c) Reator tubular; d)Torre DAP; e) Discharge scraper; f) Fan ............................................................. 103 Figura 69: Processo de granulação de DAP da Hydro Fertilizers, com reator pressurizado. a) Tail-gas scrubber; b) Ammonia scrubber; c) Bag filter; d) Reator Pressurizado; e) Granulador; f) Dryer; g) Ciclone; h) Screens; i) Crusher; j) Fluidized-bed cooler; k), l) Surge tanks .................................................................................................................................... 104 Figura 70: Processo da AZF com dois reatores tubulares para granulação de DAP; a, b) reatores tubulares; c) Granulador; d) Secador - resfriador; e) Tela; f) Moinho .................... 105 Figura 71: Processo TVA para granulação de DAP; a) Lavadora; b) Pré-neutralizador; c) Surge; d) Granulador; e) Secador; f) Telas; g) Esmagador; h) Refrigerador ; i) Ciclone; j) Fan ............................................................................................................................................. 106

Page 7: Fertilizantes nitrogenados

v

Lista de Equações

Equação 1: Reação de síntese de amônia ........................................................................... 11 Equação 2: Reações de hidrodessulfurização e remoção de H2S ....................................... 16 Equação 3: Reação simplificada de oxidação parcial de hidrocarbonetos ........................... 17 Equação 4: Razão de alimentação para síntese de amônia ................................................ 18 Equação 5: Reações de reforma para o metano .................................................................. 20 Equação 6: Relação do gás saindo da reforma primária ...................................................... 21 Equação 7: Reações do processo de metanação ................................................................ 27 Equação 8: Entalpia de reação para gás ideal ..................................................................... 28 Equação 9: Relação da constante de equilíbrio com a temperatura .................................... 28 Equação 10: Cinética da síntese de amônia de Temkin e Pyzhev ....................................... 31 Equação 11: Cinética da síntese de amônia de Dyson e Simon .......................................... 32 Equação 12: Oxidação da amônia ........................................................................................ 45 Equação 13: Oxidação do óxido nítrico ................................................................................ 46 Equação 14: Absorção do NO2 em água .............................................................................. 46 Equação 15: Reações durante a oxidação da amônia ......................................................... 48 Equação 16: Temperatura de reação da combustão da amônia em função da temperatura da mistura e razão de amônia na alimentação ...................................................................... 53 Equação 17: Reação de dimerização do dióxido de nitrogênio ............................................ 55 Equação 18: Formação do trióxido de dinitrogênio .............................................................. 55 Equação 19: Taxa de reação da oxidação do NO ................................................................ 55 Equação 20: Dependência da constante da taxa com a temperatura .................................. 56 Equação 21: Taxa da reação de dimerização do NO2.......................................................... 56 Equação 22: Constante de equilíbrio da reação de dimerização do NO2 ............................. 57 Equação 23: Taxa da reação de formação do N2O3 ............................................................. 57 Equação 24: Constante de equilíbrio da reação de formação do N2O3 ................................ 57 Equação 25: Reação de N2O4 e água .................................................................................. 58 Equação 26: Dissociação do HNO2 ...................................................................................... 58 Equação 27: Reação de produção de uréia ......................................................................... 66 Equação 28: Reação de formação do biureto a partir da uréia ............................................ 71 Equação 29: Reação de hidrólise da uréia ........................................................................... 72 Equação 30: Pressão de dissociação do carbamato líquido ................................................ 74 Equação 31: Taxa de formação semi-empírica de biureto ................................................... 75 Equação 32: Equação de produção de nitrato de amônio do nitrato de cálcio .................... 91 Equação 33: Equação de produção de sulfato de amônio ................................................... 96 Equação 34: Produção do sulfato de amônio a partir do gesso ........................................... 98

Page 8: Fertilizantes nitrogenados

vi

Lista de tabelas

Tabela 1: Diferenças na qualidade de fertilizantes minerais e orgânicos (BNDES, 2006) ..... 2 Tabela 2: Características químicas dos principais fertilizantes nitrogenados, comercializados no Brasil. (Fertipar) .................................................................................................................. 4 Tabela 3: Produção, Exportação, Importação e Consumo Aparente de Fertilizantes no Brasil, no ano 2004 (ANDA) .................................................................................................... 7 Tabela 4: Produção, Importação e Oferta de fertilizantes intermediários e finais (mil toneladas) – 2008 (AMA) ......................................................................................................... 8 Tabela 5: Maiores Fabricantes Mundiais de Fertilizantes – 2004 (YARA FERTILIZER INDUSTRY HANDBOOK, 2005) .............................................................................................. 9 Tabela 6: Dados da reforma secundária com ar (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ................ 23 Tabela 7: Dados da conversão catalítica de CO (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989) ............... 24 Tabela 8: Limites de explosividade de misturas de amônia-ar em pressão atmosférica (ULLMANN, 2005) ................................................................................................................. 51 Tabela 9: Dados típicos de projeto para queimadores de amônia (ULLMANN, 2005) ......... 51

Page 9: Fertilizantes nitrogenados

1

1. Introdução

Segundo a legislação brasileira, Decreto 86.955 de 18 de fevereiro de 1982,

fertilizantes são definidos como “substâncias minerais ou orgânicas, naturais ou

sintéticas, fornecedoras de um ou mais nutrientes das plantas”. Sendo a função

destes repor os elementos retirados do solo em cada colheita, visando a

manutenção ou aumento da produtividade.

Pode-se definir, os elementos químicos constituintes dos fertilizantes em duas

categorias, de acordo com a quantidade e proporção, sendo os macronutrientes -

carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio e

enxofre - e os micronutrientes - cloro, cobre, ferro, manganês, molibdênio, zinco,

sódio, silício e cobalto. A insuficiência de qualquer um dos nutrientes no solo,

resultará no mal desenvolvimento da planta. Comumente nota-se a deficiência de

nitrogênio, fósforo e potássio, sendo estes os constituintes básicos da formulação de

fertilizantes, NPK, onde o percentual de nitrogênio é dado pela forma elementar, o

teor de fósforo é dado pelo percentual de pentóxido de fósforo (P2O5) e o de

potássio pela forma de óxido de potássio (K2O). A deficiência destes três nutrientes

é mais notada devido as suas atuações nas plantas. O nitrogênio é um componente

das proteínas e da clorofila, que são fundamentais para o crescimento da planta e

sua produção. O fósforo participa do processo de armazenamento e utilização de

energia, possibilita o crescimento das raízes e a melhora da qualidade dos grãos, e

contribui na aceleração da maturação dos frutos. Enquanto que, o potássio atua no

interior das células promovendo o equilíbrio de cargas, e o controle de hidratação.

(BNDES; 2006)

Avaliando-se comercialmente, apenas o nitrogênio, o fósforo e o potássio

apresentam uma produção rentável, devido ao fato dos outros macro e

micronutrientes, serem utilizados em quantidades muito pequenas.

Os fertilizantes podem ser classificados em três tipos: mineral, orgânico e

organomineral. Fertilizante mineral consiste em um produto mineral, natural ou

sintético, produzido por um processo químico, físico ou físico-químico, e que fornece

um ou mais nutrientes as plantas. O fertilizante orgânico é um produto orgânico,

Page 10: Fertilizantes nitrogenados

2

podendo ser produzido pelos mesmos processos do mineral e ainda por processo

bioquímico, natural ou controlado. Enquanto que, os fertilizantes organominerais

consistem na mistura de fertilizantes dos dois grupos anteriores.

Tabela 1: Diferenças na qualidade de fertilizantes minerais e orgânicos (BNDES,

2006)

Para avaliar a qualidade de fertilizantes e a sua empregabilidade em

determinados terrenos, deve-se considerar alguns fatores, como a granulometria –

tamanho e forma da partícula, possibilita a estimativa do tempo de dissolução do

fertilizante, assim como a regulagem do maquinário para distribuição deste no solo –

, consistência – resistência física dos grãos, sendo imprescindível para o

armazenamento e transporte dos grãos –, fluidez – facilidade de escoamento do

fertilizante, referindo-se a distribuição mecânica no momento da aplicação –,

densidade – está diretamente ligada a fluidez, sendo um fator importante no caso de

fertilizantes líquidos, principalmente.

A cadeia de produção de fertilizantes se baseia na obtenção de produtos

intermediários, como ácido nítrico, ácido sulfúrico e ácido fosfórico, a partir das

matérias-primas amônia, enxofre e rocha fosfática. Com o uso dos intermediários

faz-se a síntese dos fertilizantes básicos, que são uréia, nitrato de amônio, sulfato de

amônio, monosulfato de amônia (MAP), dissulfato de amônia (DAP), termofosfato

(TSP), superfosfato triplo e superfosfato simples (SSP) e a rocha fosfática acidulada.

E por meio de processos de granulação e mistura produz-se os fertilizantes finais,

Page 11: Fertilizantes nitrogenados

3

NPK`s, que são comercializados e aplicados na agricultura (TAGLIALEGNA et al.,

2001). A Figura 1, apresenta o fluxograma da cadeia produtiva de fertilizantes.

Figura 1: Fluxograma da cadeia produtiva de fertilizantes (SEAE, 2011)

1.1. Fertilizantes nitrogenados

Os fertilizantes nitrogenados são produzidos a partir de amônia anidra (NH3),

que é um gás gerado na reação do nitrogênio, do ar, com o hidrogênio proveniente

Page 12: Fertilizantes nitrogenados

4

do gás de síntese de diferentes fontes – gás natural, nafta, óleo combustível e outros

derivados de petróleo. Atualmente a fonte de hidrogênio mais utilizada é o gás

natural, devido ao fato deste ser uma melhor fonte de hidrogênio e por gerar um

menor impacto ambiental quando comparado com outras fontes. A Figura 2

apresenta as rotas de produção de alguns fertilizantes nitrogenados.

Figura 2: Produção de fertilizantes nitrogenados (Fertipar)

Na Tabela 2 estão presentes os principais fertilizantes nitrogenados

comercializados no Brasil, onde se apresenta o percentual de nitrogênio em função

de diferentes tipos de radicais químicos: nitrato (NO3-), amônio (NH4

+) e uréia

[OC(NH2)2].

Tabela 2: Características químicas dos principais fertilizantes nitrogenados,

comercializados no Brasil. (Fertipar)

Page 13: Fertilizantes nitrogenados

5

1.2. Aplicação de fertilizantes no Brasil

O mercado de fertilizantes no Brasil é sazonal, onde cerca de 70% da

comercialização é no segundo semestre do ano, no plantio das safras de verão.

Como pode ser visto na Figura 3, praticamente metade da demanda nacional de

fertilizantes se deve as culturas de soja e milho. A dependência de fertilizantes para

a cultura de soja no Brasil se reflete diretamente no preço desta commodity,

acarretando em variações bruscas e esporádicas (DIAS; FERNANDES, 2006).

Figura 3: Consumo de fertilizantes no Brasil, por cultura no ano de 2004 (ANDA)

No Brasil há uma forte dependência no uso de fertilizantes, que ao analisar a

Figura 4 pode-se notar quão desproporcional é a relação entre a venda e a produção

destes no país. Tal fato acarreta a forte demanda por importações, que pode ser

notada na Figura 5.

Page 14: Fertilizantes nitrogenados

6

Figura 4: Produção e vendas de fertilizantes, no Brasil. (ANDA)

Figura 5: Balança comercial de fertilizantes, no Brasil (ANDA)

A dependência na exportação de fertilizantes pelo país, pode ser notada ao

se avaliar o caso especifico dos fertilizantes nitrogenados, Figura 6, onde se

evidencia o alto consumo em relação a produção nacional. Na Tabela 3 e Tabela 4,

nota-se que o mercado de fertilizante nitrogenados no país, no ano de 2004 e 2008,

Page 15: Fertilizantes nitrogenados

7

é suprido por importações, cerca de 60% do consumo nacional. Onde no ano de

2004 aproximadamente 20% da amônia, 86% do sulfato de amônio, 98% do DAP, e

de 69% do MAP são dependentes do mercado externo. Enquanto que no ano de

2008, os percentuais obtidos são 86% de sua demanda por sulfato de amônio, 73%

de uréia, 72% de nitrato de amônia, 90% de Fosfato Monoamônio (MAP) e 100% de

Fosfato Diamônio (DAP). Tais valores obtidos na literatura são tidos como atuais

devido aos valores percentuais terem se mantidos relativamente inalterados.

Figura 6: Produção, consumo, exportação e importação de fertilizantes

nitrogenados, no Brasil (ANDA)

Tabela 3: Produção, Exportação, Importação e Consumo Aparente de Fertilizantes no Brasil, no ano 2004 (ANDA)

Page 16: Fertilizantes nitrogenados

8

Tabela 4: Produção, Importação e Oferta de fertilizantes intermediários e finais (mil

toneladas) – 2008 (AMA)

Para a produção de amônia no país faz-se o uso do gás natural, o gás de

refinaria e o resíduo asfáltico, no entanto atualmente a oferta de gás natural também

é dependente de importação, principalmente da Bolívia.

1.3. Importância econômica

Atualmente o maior produtor mundial de fertilizantes é o grupo Yara

International, sendo que no setor de fertilizantes nitrogenados as companhias de

maior destaque são a Agrium, com sede no Canadá e o grupo Terra Nitrogen (U.K.)

Limited é parte da Terra Industries Inc, produtor internacional líder de produtos de

nitrogênio e metanol.

Page 17: Fertilizantes nitrogenados

9

Tabela 5: Maiores Fabricantes Mundiais de Fertilizantes – 2004 (YARA FERTILIZER INDUSTRY HANDBOOK, 2005)

1.4. Cenário de produção de fertilizantes nacional

Embora, no Brasil, o agronegócio seja o setor que mais emprega na cadeia

produtiva e que por muitas vezes tenha alcançado um superávit da balança

comercial do país, os fertilizantes apresentam um déficit, que se aproxima de 25%

de todo o déficit do setor químico no país, uma quantia de aproximadamente US$ 8

bilhões/ano.

Atualmente, somente a Fafen (Fábrica de Fertilizantes Nitrogenados),

localizada em Laranjeiras – SE, e a Ultrafertil, em Cubatão – SP e Araucária – PR

produzem matérias-primas para fertilizantes nitrogenados. Destas, a Ultrafertil

apresenta déficit enquanto que a Fafen superávit na produção de amônia anidra,

sendo o excedente vendido no próprio mercado brasileiro. Os principais paises

exportadores para o Brasil são a Rússia e Ucrânia.

É necessário o aumento nas escalas de produção. Em 1975, acreditava-se

que a implantação de novas unidades com capacidade total de produção de 3.975

t/dia de amônia seria o necessário, no entanto foram observadas apenas pequenas

expansões nas unidades existentes.

A expansão da produção é uma alternativa para obtenção do equilíbrio da

balança comercial, buscando uma diminuição das importações. Três fatores são

determinantes na viabilidade de um projeto desta magnitude: localização, garantia

de fornecimento e o preço do gás natural (BNDES, 2006).

Page 18: Fertilizantes nitrogenados

10

Recentemente, a Petrobras anunciou que investira em uma nova unidade,

denominada Unidade de Fertilizantes Nitrogenados III - UFN III, que possibilitará a

produção de um milhão de toneladas por ano, cerca de 50% da demanda atual do

país, a partir de 2013. Os investimentos, US$ 2 bilhões, são para uma nova fábrica

de uréia, amônia e gás carbônico, que processará 1 milhão de t/ano de uréia e 600

mil t/ano de amônia. A UFN III será a terceira fábrica de Petrobras, o local de sua

instalação ainda não foi definido, as outras duas estão em funcionamento e se

localizam na Bahia e no Sergipe (PETROBRAS, 2009).

A Fosfertil (atual Valefértil), detentora das unidades de produção de amônia

em Cubatão/SP e Araucária/PR, manifestou, em setembro de 2009, o desejo de

implantar um projeto de grande porte para produção de nitrogenados, porém ainda

sem localização definida. A unidade teria a capacidade de produzir 1 milhão de t/ano

de amônia e de uréia, sendo um investimento avaliado em R$1,5 a 1,8 bilhão de

reais (BRASILMINERAL, 2009).

Nos próximos anos, há a possibilidade de produção de nitrogênio a partir das

reservas de gás natural de Urucu, no Amazonas. Com a operação do gasoduto de

Urucu-Coari-Manaus, em 2009, a Superintendência da Zona Franca de Manaus

(SUFRAMA) começou a estudar a possibilidade de produção de amônia. E ainda

com a descoberta de novos poços que possuem início de produção programada

para 2011, o Brasil superará o dobro da sua produção em um espaço de 5 anos,

sendo de 32 milhões em 2008 para o valor estimado de 71 milhões em 2012 (SGM,

2009).

Page 19: Fertilizantes nitrogenados

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Page 20: Fertilizantes nitrogenados

12

Esta reação é muito exotérmica e, por isso, o projeto do reator deve ser de

maneira a controlar a temperatura no ponto desejado para a conversão que foi

considerada econômica (MURASE; ROBERTS; CONVERSE, 1970).

O gás de síntese de amônia é preparado pela reforma catalítica de gás

natural no reformador primário a alta pressão, e com vapor d’água superaquecido; e

com ar no reformador secundário para injetar-se nitrogênio. A quantidade de ar é

ajustada para garantir que a razão molar H2/N2 seja 3:1 (MURASE; ROBERTS;

CONVERSE, 1970).

O monóxido de carbono (CO) é convertido a dióxido de carbono (CO2) pela

reação de deslocamento com o vapor d’água (do reformador a vapor), catalisada

pelo óxido de ferro. O CO2 é, então, removido da mistura gasosa pelo uso de DEA

(dietanolamina). A mistura de hidrogênio e nitrogênio, com razão de 3:1 e isenta de

CO, é comprimida e enviada para o reator de amônia. O reator é constituído por um

casco de alta pressão que encerra uma seção de catálise e um trocador de calor.

Este, localizado abaixo da seção de catálise, aquece o gás de alimentação com os

gases que saem da zona reacional (MURASE; ROBERTS; CONVERSE, 1970).

Na seção de catálise são inseridos, verticalmente, tubos de resfriamento. A

alimentação entra pela parte inferior do reator e escoa através do trocador de calor e

dos tubos de resfriamento para o topo do reator. Então, mudando a direção de

escoamento (agora para baixo), passa pela zona reacional e sai pelo trocador de

calor (MURASE; ROBERTS; CONVERSE, 1970).

Page 21: Fertilizantes nitrogenados

13

Figura 7: Reator de amônia TVA (Tennessee Valley Authority) (Adaptado de

MURASE; ROBERTS; CONVERSE, 1970)

As altas pressões empregadas no processo (Equação 1) de produção de

amônia foram superadas pelo desenvolvimento do processo KAAP (Kellogg

Advanced Ammonia Process, pertencente à KBR), que utiliza rutênio sobre um

suporte de carbono grafítico de alta área superficial estabilizado. Devido ao caráter

de metal precioso do rutênio, este catalisador custa mais que os catalisadores

convencionais de magnetita (KBR, 2010).

O catalisador KAAP tem uma atividade intrínseca de dez a vinte vezes

maiores do que os catalisadores convencionais de magnetita, que permite a

operação a 90 atm na pressão de síntese de reciclo. Esta pressão é metade a dois

terços da pressão de operação dos processos convencionais de produção de

amônia em reciclo. Nesta pressão, um compressor de menor capacidade é

requerido e a espessura das tubulações é diminuída resultando em economias nos

equipamentos da planta e custos de operação. A fabricação do catalisador e seu

desempenho de operação são garantidos pela BASF Catalysts LLC, sob licença

exclusiva a KBR (KBR, 2010).

2.1.1 Cenário de produção de amônia no Brasil

Page 22: Fertilizantes nitrogenados

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Page 23: Fertilizantes nitrogenados

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Page 24: Fertilizantes nitrogenados

16

de dessulfurização, onde os compostos de enxofre são hidrogenados para H2S,

tipicamente usando um catalisador de cobalto-molibdênio, e então adsorvidos sobre

óxido de zinco em forma de grãos (EFMA, 2011).

Equação 2: Reações de hidrodessulfurização e remoção de H2S

Desta forma, o enxofre é removido para níveis menores do que 0,1 ppm S no

gás de alimentação. O sulfeto de zinco permanece no leito de absorção. O

hidrogênio para a reação é geralmente reciclado da seção de síntese (EFMA, 2011).

Processo de oxidação parcial com oxigênio

O processo de oxidação parcial é usado para a gaseificação de matérias

primas pesadas tais como óleos residuais e carvão. Hidrocarbonetos extremamente

viscosos e resíduos plásticos podem também ser utilizados como frações da

alimentação. O processo de oxidação parcial oferece uma alternativa para utilização

futura de tais resíduos (EFMA, 2011).

Uma unidade de separação de ar é necessária para a produção de oxigênio

para a etapa de oxidação parcial. O nitrogênio é adicionado na lavagem com

nitrogênio liquido para remover impurezas do gás de síntese e para obter a razão de

hidrogênio/nitrogênio necessária no gás de síntese (EFMA, 2011).

A gaseificação por oxidação parcial é um processo não catalítico que é

realizado a altas pressões (> 50 bar) e temperaturas ao redor de 1400ºC. O modelo

da reação simplificada é (EFMA, 2011):

R-SH + H2 H2S + R-H

H2S + ZnO ZnS+ H2O

Page 25: Fertilizantes nitrogenados

17

Equação 3: Reação simplificada de oxidação parcial de hidrocarbonetos

Adicionalmente, CO2, CH4 e alguma fuligem são formados. Os compostos

sulfurosos na alimentação são convertidos para sulfeto de hidrogênio. Compostos

minerais são transformados em cinzas específicas. O gás de processo é libertado

dos sólidos pela lavagem com água depois da recuperação do calor residual e

fuligem é reciclado para a alimentação. Os componentes nas cinzas são drenados

com o condensado de processo e/ou junto com uma parte da fuligem. Em algumas

unidades, a fuligem é separada da água no estágio principal de filtração para evitar o

acúmulo de cinzas nas unidades posteriores no ciclo de gaseificação. Os metais

pesados, tais como V, Ni e Fe são recuperados. O H2S no gás de processo é

separado em uma etapa de absorção seletiva e reprocessado para enxofre

elementar em uma unidade Claus (EFMA, 2011).

A síntese de amônia é completamente similar a aquele usada pelas plantas

de reforma a vapor, mas mais simples e mais eficientes, devido a alta pureza do gás

de síntese provenientes das unidades de lavagem de nitrogênio líquido e a não

necessidade da purga no reciclo de síntese (EFMA, 2011).

A sequência de operações é como se segue (Figura 12-a):

a) Destilação do ar;

b) Oxidação parcial de hidrocarbonetos por oxigênio;

c) Remoção de carbono e recuperação de calor;

d) Possível remoção de H2S e conversão a enxofre;

e) Conversão catalítica de CO por vapor (conversão de deslocamento);

f) Remoção de CO2;

g) Remoção de CO por nitrogênio líquido que introduz o nitrogênio necessário

para formar a mistura N2+3H2;

-CHn- + 0.5 O2 CO + H2n/2

Page 26: Fertilizantes nitrogenados

18

Em geral, estes tratamentos não são diferentes daqueles usados para

produzir hidrogênio. Entretanto, desde que uma quantidade excessiva de gases

inertes (metano, argônio, hélio) não pode ser tolerada no gás de síntese, as

condições operacionais da oxidação parcial são ajustadas para que o conteúdo de

metano seja baixo (Figura 11). Além disso, a lavagem com nitrogênio líquido deve

ser processada a uma temperatura em que a pressão de vapor do nitrogênio é tal

que o gás lavado remova a quantidade necessária de nitrogênio gasoso, tal que

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

13

Equação 4: Razão de alimentação para síntese de amônia

Esta operação que é específica para o uso de hidrogênio produzido para a

síntese de amônia, é similar em principio ao usado para separar monóxido de

carbono por lavagem com metano líquido. Seu valor é, portanto duplo (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989):

a) Evitar a presença de hidrocarbonetos residuais, que atuam como diluentes no

hidrogênio produzido, pela troca deles por nitrogênio, que é um reagente. O

efluente produzido então contém menos do que 1 ppm em volume de CO e

CH4. Por outro lado, o conteúdo de nitrogênio é pelo menos de 2 a 8 % em

volume, que normalmente impede qualquer outra aplicação;

b) Ajustar a composição do gás de síntese de amônia de acordo com a

necessidade da reação.

Page 27: Fertilizantes nitrogenados

19

Figura 11: Pré-aquecimento dos reagentes a 593ºC – Oxidação parcial da mistura –

Composição de equilíbrio (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Figura 12: Bases principais de produção de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Page 28: Fertilizantes nitrogenados

20

Processo baseado na reforma a vapor de hidrocarbonetos

De forma simplificada, o processo de reforma pode ser dividido em duas

etapas: a primeira etapa chamada de reforma primária é caracterizada pela reação

de gás natural e vapor d’água em altas temperaturas (1073 – 1173K) e em altas

pressões (~ 30atm) para a produção de hidrogênio e óxidos de carbono. As

principais reações que ocorrem são (YAMAMOTO, 1990):

Equação 5: Reações de reforma para o metano

A reação é realizada em um reator multi-tubular preenchido com catalisador

de níquel, cromo ou ferro. Os gases resultantes do reformador primário saem com

uma temperatura em torno de 1073 K e passam diretamente para o reformador

secundário (segunda etapa) (YAMAMOTO, 1990).

Na reforma secundária, o metano residual proveniente da reforma primária é

reduzido a um nível muito baixo em um reator do tipo catalítico adiabático de leito

fixo em vista do equilíbrio atingido em temperaturas maiores que as obtidas no

reformador primário. Isto é conseguido adicionando ar ao gás de processo que

também provê o nitrogênio requerido posteriormente para a síntese de amônia. O

calor é gerado pela reação em fase homogênea do oxigênio do ar com parte do

hidrogênio que é produzido no reformador primário e com parte do metano e do

monóxido de carbono residual. As reações de reforma a vapor e de deslocamento

de água acontecem predominantemente no leito catalítico e, como o processo é

globalmente endotérmico, a temperatura dos gases declina progressivamente até a

saída do reator (YAMAMOTO, 1990).

A sequência de operações é mostrada a seguir (Figura 12-b):

+ -206 kJ/gmolCH4 OH2 CO+ H23

CO + OH2 CO2 + H2 42 kJ/gmol

Page 29: Fertilizantes nitrogenados

21

a) Tratamento a vapor (reforma a vapor);

b) Conversão de metano residual por ar, que contribui para o nitrogênio

necessário (reforma secundária ou pós-combustão);

c) Conversão catalítica do CO por vapor (conversão de deslocamento);

d) Remoção de CO2;

e) Remoção de CO pelo tratamento de derivados cuprosos (Cu+) (Processo

Cosorb, por exemplo) ou com metanol; a metanação pode ser também

utilizada se a quantidade de CH4 correspondente a de monóxido de carbono

no gás poder ser tolerada no projeto para a síntese de amônia.

Na saída do estágio de reforma primária, a composição do gás deveria

satisfazer a seguinte equação (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

21% 24%

Equação 6: Relação do gás saindo da reforma primária

Desde que 10% de CO2 é formado nas temperaturas de operação dos

reatores de reforma, é fácil calcular que o efluente deve conter aproximadamente

0,35%-0,42% de metano residual (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Portanto, parece preferível converter metano por ar, de modo que o nitrogênio

necessário é introduzido. Esta operação é realizada a temperatura comparável, em

ordem a manter os níveis térmicos exigidos para as sequências de operações

sucessivas e evitar excessivamente a perturbação das composições da corrente.

Isto é feito na presença de um catalisador baseado em níquel similar ao empregado

no reator de reforma primária, para garantir a conversão do conteúdo de

hidrocarbonetos leves no meio diluído. A pós-combustão (reforma secundária) é

então processada adiabaticamente, entre 850ºC e 1000ºC, na pressão que é

também próxima ao da reforma a vapor inicial (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Page 30: Fertilizantes nitrogenados

22

A Tabela 6 dá alguns resultados típicos da reforma secundária por ar de

efluentes produzidos na reforma primária, tanto gás natural ou de nafta (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989).

Adicionalmente, para evitar um inicio excessivamente severo da reforma

primária, a reforma secundária oferece uma vantagem de melhorar a recuperação

térmica total a altos níveis térmicos (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

A conversão catalítica do CO contida na mistura gasosa obtida depois da

reforma secundária é processada do mesmo modo como para a produção de

hidrogênio, ou seja, em dois reatores ou apenas um. Tabela 7 dá um número de

resultados característicos. A VHSV (Volume hourly specific velocity) varia de 1500 a

3000 h-1 (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Page 31: Fertilizantes nitrogenados

23

Tabela 6: Dados da reforma secundária com ar (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989)

Analisando as reações de reforma do metano (Equação 5), observa-se que

com a diminuição da razão CH4:H2O (excesso de vapor) ambas reações tendem a

ser favorecidas para direita, aumentando assim a produção de hidrogênio e

diminuindo a produção de CO (Figura 13). Contudo para um aumento da razão

metano/vapor o hidrogênio tende a ser consumido devido a baixa conversão na

reação metano-vapor e seu consumo na reação de deslocamento gás d’água fica

deslocada para esquerda (Figura 13).

Matéria-prima da reforma primária Gás Natural Nafta

Reforma secundária Matéria-prima Produto Produto

Composição (%vol)

H2 69,30 55,30 56,10

CO 9,70 13,00 10,20

CO2 10,40 7,50 11,20

CH4 10,60 0,35 0,37

N2 - 23,60 21,90

Ar - 0,25 0,23

Total 100,00 100,00 100,00

Ar/gás seco 0,41 - 0,40

H2O/gás seco 0,77 0,57 0,56

Temperatura na saída do reator (ºC) - 1000 1000

Pressão (MPa absoluta) - 3,1 1,5

Page 32: Fertilizantes nitrogenados

24

Tabela 7: Dados da conversão catalítica de CO (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989)

Composições e condições Reator

1ário

Reator

2ário

Reator

único

Matéria-prima (%vol)

CH4 0,37 0,35 0,37

CO2 11,20 18,22 11,20

CO 10,20 1,40 10,20

H2 56,10 59,60 56,10

N2 21,90 20,23 21,90

Ar 0,23 0,20 0,23

Pressão (MPa absoluto) 1,4 1,4 1,4

Vapor/gás seco 1,25 1,25 1,25

Temperatura de entrada (ºC) 370 260 200

Produto (%vol)

CH4 0,35 0,34 0,34

CO2 18,22 19,00 19,00

CO 1,40 0,20 0,20

H2 59,60 60,10 60,10

N2 20,23 20,16 20,16

Ar 0,20 0,20 0,20

Vapor/gás seco 1,05 1,20 1,10

Temperatura de saída (ºC) 415 275 260

Page 33: Fertilizantes nitrogenados

25

Figura 13: Efeito da razão CH4:H2O na reforma adiabática para produção de H2

(Elaboração própria)

Processo de conversão catalítica do CO

O gás de processo do reformador secundário contém 12-15% CO (base seca

de gás), e a maioria do CO é convertido pela seção de Shift (“deslocamento”) de

acordo com a reação (EFMA, 2011):

No conversor de alta temperatura (HTS – High Temperature Shift), o gás é

passado através de um leito contendo óxido de ferro/óxido de cromo a

aproximadamente 400ºC, onde o conteúdo de CO é reduzido para aproximadamente

3% (base seca de gás), limitado pelo equilíbrio de deslocamento na temperatura

atual de operação. Existe uma tendência de usar catalisadores contendo cobre para

aumentar a conversão. O gás da HTS é resfriado e passado através do conversor de

baixa temperatura (LTS – Low Temperature Shift). O conversor LTS é preenchido

 

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

H2 CO

CH4:H2O

H2,

Km

ol/h

500

600

700

800

900

1000

CO

, Km

ol/h

CO + OH2 CO2 + H2 42 kJ/gmol

Page 34: Fertilizantes nitrogenados

26

com catalisador baseado em óxido de cobre/óxido de zinco, e opera a

aproximadamente 200-220ºC. O conteúdo de CO residual no gás convertido é

aproximadamente 0,2-0,4% (base seca de gás). Um conteúdo de CO residual baixo

é importante para a eficiência do processo (EFMA, 2011).

Processo de remoção do CO2

O gás de processo do conversor de baixa temperatura contém principalmente

H2, N2, CO2 e o excesso de vapor de processo. O gás é resfriado e a maioria do

excesso de vapor é condensado antes de entrar no sistema de remoção de CO2. O

condensado contem normalmente 1500-2000 ppm de amônia e 800-1200 ppm de

metanol. Menores quantidades de aminas, ácido fórmico e ácido acético podem

estar presentes no condensado (EFMA, 2011).

O calor liberado durante o resfriamento/condensação é usado para:

regeneração da solução de lavagem de CO2;

acionamento de uma unidade de refrigeração por absorção;

pré-aquecimento da água de alimentação da caldeira.

A quantidade de calor liberado depende da razão de vapor para carbono do

processo. Se todo calor de baixo nível é usado para a remoção de CO2 ou

refrigeração da absorção, o calor de alto nível deve ser usado para o sistema de

alimentação de água. Um processo de energia eficiente deveria ter, portanto um

sistema de remoção de CO2 com um baixo nível de demanda de calor (EFMA,

2011).

O CO2 é removido em um processo de absorção química ou física. O solvente

usado no processo de absorção química são principalmente soluções aquosas de

amina MEA (Mono etanolamina), aMEA (Metil dietanolamina ativada) ou soluções de

carbonato de potássio quente. Os solventes usados nos processos de absorção

física são glicóis de dimetiléters (Selexol), carbonato de propileno, entre outros. O

processo MEA possui um alto consumo de energia para regeneração (EFMA, 2011).

Page 35: Fertilizantes nitrogenados

27

A faixa típica de consumo de calor em processos modernos de absorção é

30-60 MJ/kmol CO2. Os processos de absorção física podem ser projetados para

consumo nulo de calor, mas para comparação com os processos químicos, as

exigências de energia mecânica devem também ser consideradas. Os conteúdos de

CO2 residual são geralmente na faixa de 100-1000 ppm em volume, dependendo do

tipo e projeto da unidade de remoção. Conteúdos abaixos de aproximadamente 50

ppm em volume são atingíveis (EFMA, 2011).

Processo de metanação

As pequenas quantidades de CO e CO2, remanescentes no gás de síntese

são venenos para o catalisador de síntese de amônia, e devem ser removidos pela

sua conversão para CH4 no metanador (EFMA, 2011):

Equação 7: Reações do processo de metanação

As reações ocorrem em aproximadamente 300ºC em um reator preenchido

com um catalisador contendo níquel. O metano é um gás inerte na reação de

síntese, mas a água deve ser removida antes de entrar no conversor. Isto é feito

primeiramente por resfriamento e condensação após o metanador, e finalmente por

condensação/absorção na amônia produzida no reciclo ou no gás de reposição da

unidade de secagem (EFMA, 2011).

CO H23+ CH4 + H2O

CO2H2+ CH4 + 2 H2O4

Page 36: Fertilizantes nitrogenados

28

2.1.3 Aspectos termodinâmicos da síntese de amônia

A reação:

H298o = -92 kJ/mol N2

É exotérmica e endotérmica (endentrópica). A reação somente é endotérmica

para temperaturas acima de 3500ºC que estão completamente fora da faixa de

operação de unidades de produção de amônia (Figura 14).

∆ 77294 54,24 0,01919 /

Equação 8: Entalpia de reação para gás ideal

Iniciando com uma expressão apropriada para o valor da constante de

equilíbrio (Kp) (Equação 9), pode-se mostrar que a produção de amônia é favorecida

pela alta pressão e baixa temperatura. A Figura 15 mostra este resultado

graficamente pelo fornecimento da composição de equilíbrio de uma mistura

estequiométrica de N2+ 3H2 (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

29406,178

Equação 9: Relação da constante de equilíbrio com a temperatura

NH3N2 + H23 2

Page 37: Fertilizantes nitrogenados

29

Figura 14: Dependência da entalpia de reação com a temperatura (Elaboração

própria)

Figura 15: Equilíbrio da síntese de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989)

Page 38: Fertilizantes nitrogenados

30

2.1.4 Aspectos cinéticos da síntese de amônia

Para acelerar a aproximação do equilíbrio, os catalisadores de óxido

empregados são do grupo 7 de metais, exclusivamente o ferro na prática (Fe3O4).

Um numero de promotores ajudam a melhorar o desempenho, incluindo Al2O3 que

aumenta a área superficial ativa das partículas, e K2O, SiO2, MgO, CaO, etc., que

melhora a estabilidade, e aumenta a atividade e resistência ao envenenamento.

Sistemas atualmente sob desenvolvimento fazem uso de derivados de rutênio, para

substituir ou para ser usado junto com aqueles de ferro, modificados por compostos

de rubídio, titânio e cério (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

O catalisador pode ser fornecido para os usuários:

a) Na forma de óxido, que deve então ser reduzidos na unidade pela mistura de

N2+3H2 – isto significa um intervalo de condicionamento durando de 4 a 10

dias;

b) Na forma pré-reduzida não pirofórica, que é imediatamente operacional mas

mais caro.

Sistemas de catalisadores padrões são apenas ativos acima de 400ºC (Figura

15). Eles são especialmente estáveis quando as seguintes exigências são

observadas (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

a) A temperatura no leito não deve exceder 550ºC;

b) O gás de reposição deve ser livre de compostos de enxofre, arsênico e

fósforo, bem como cloreto e, em geral, derivados halogenados que

constituem venenos permanentes;

c) O conteúdo de compostos oxigenados, os quais representam venenos

temporários, devem satisfazer a certas limitações, tais como: O2, CO2 < 1

ppm; CO, H2O, CO+CO2 < 2 ppm. O nível de pureza necessária é alcançada

pela repetição do tratamento da lavagem com nitrogênio liquido ou

Page 39: Fertilizantes nitrogenados

31

metanação, como requisitado. A umidade é então removida pela secagem ou

por criogenia.

Metano e argônio não são venenos de catalisador, mas desde que eles são

inertes na reação, eles são susceptíveis de acumular no reciclo de síntese se não

forem removidos por uma purga contínua. Isto pode estar implícito e natural pela

simples dissolução e arraste de amônia produzida, se o conteúdo do gás de

reposição é baixo, menos do que 0,01%, por exemplo, em processos incluindo a

lavagem com nitrogênio liquido. É obrigatório para altas concentrações, que são

acima de 1% se a metanação é realizada, e, neste caso, o gás de reciclo pode

conter mais do que 10% a 15% de metano e argônio. Dependendo das condições de

operação, a vida do catalisador pode ser tão longa quanto dez anos (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989).

A equação básica mais amplamente aceita para expressar a cinética da

síntese de amônia é aquela de Temkin e Pyzhev (1940). Ela expressa a taxa de

reação como uma função das pressões parciais dos reagentes e produtos:

. ,

,

Equação 10: Cinética da síntese de amônia de Temkin e Pyzhev1

Onde k1 e k2 são as constantes da taxa da síntese e reações de decomposição.

Cálculos precisos devem considerar a atividade dos diferentes componentes

da mistura e a presença do catalisador. Uma das muitas equações derivadas que

considera a influência destes fatores é aquela de Dyson e Simon (1968), que usa a

seguinte expressão (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989): 1 ki=ki0*exp[-Eai/(RT)], onde k10, k20, Ea1, Ea2 ,R são 1,78954.104 kmol.atm-1,5/(m3.h), 2,5714.1016 kmol.atm0,5/(m3.h), 20800 kcal/kmolN2, 47400 kcal/kmol N2, 1,985887 kcal/kmol.K) respectivamente.

Page 40: Fertilizantes nitrogenados

32

Equação 11: Cinética da síntese de amônia de Dyson e Simon

.

VNH3 – taxa de reação de produção NH3 (kmol NH3/(h.m3 de catalisador))

k2 – constante da taxa da reação de decomposição (kmol/(h.m3))

k20 – constante

E2 – energia de ativação

R – constante dos gases ideais

T – temperatura absoluta

fN2, fH2, fNH3 – fugacidades dos reagentes e produtos

ka – constante de equilíbrio

a – constante dependente do tipo de catalisador (~ 0,5 para óxidos de ferro)

Para fornecer uma idéia geral, para o catalisador Montecatinin, a = 0,55,

E=163473 kJ/mol, log k20 = 14,7102, e para o catalisador Haldor Topsoe, a = 0,692,

E=179529 kJ/mol, log k20 = 15.2059 (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Para partículas de catalisadores muito pequenas, esta equação deve ser

corrigida por um fator de eficiência que considera a difusão em sistemas catalíticos

industriais, onde o diâmetro da partícula atinge 6 a 12 mm (CHAUVEL; LEFEBVRE,

1989).

Na sua forma simplificada (Temkin e Pyzhev), a expressão para a taxa de

conversão pode ser representada por uma rede de curvas na Figura 16. Um exame

neste gráfico mostra que, para obter uma taxa de reação máxima, independente da

conversão, o reator deve ser dimensionado para alcançar gradientes de temperatura

Page 41: Fertilizantes nitrogenados

33

que, em qualquer ponto, serve para atingir estes valores ótimos (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989).

Como uma regra, a análise cinética mostra que a taxa máxima de reação é

obtida se uma razão H2/N2 inicial de 2,5/1 prevalece no reator, enquanto que a

estequiometria é 3/1 (Figura 17). A VHSV normalmente varia de 10000 a 50000 h-1

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Figura 16: Taxa de reação da síntese de amônia (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989)

Figura 17: Determinação da taxa máxima de reação da síntese de amônia

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989)

Page 42: Fertilizantes nitrogenados

34

Figura 18: Perfil de temperatura e fração molar de amônia simulado para um reator

autotérmico TVA (Tennessee Valley Authority), considerando a cinética de Temkin e

Pyzhev (elaboração própria)

Figura 19: Influência da razão H2:N2 na temperatura de reação ao longo de um

reator autotérmico TVA (elaboração própria)

Page 43: Fertilizantes nitrogenados

35

Figura 20: Influência da %inertes da alimentação na temperatura de reação ao

longo de um reator autotérmico TVA (elaboração própria)

Figura 21: Influência da pressão na temperatura de reação ao longo de um reator

autotérmico TVA (elaboração própria)

Page 44: Fertilizantes nitrogenados

36

2.1.5 Processo

O processo de síntese de amônia até aproximadamente 1965 era operado a

pressões acima de 30-35 MPa. A maioria dos processos subsequentes adotaram

uma baixa pressão de operação, a aproximadamente 20-25 MPa absolutos e até 15-

20 MPa absolutos para alimentações muito puras pelo processo de lavagem com

nitrogênio líquido, por exemplo. Para melhorar a otimização de energia, certos

projetos da ICI, SNAM Progetti e Pullman-Kellogg recomendaram pressões de

operação ainda menores do que 5 MPa absoluto. Entretanto, isto significa usar uma

carga inicial de catalisador muito maior e maiores taxas de gás de recirculação não

convertidos. As temperaturas variam aproximadamente entre 480ºC e 500ºC

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

A síntese da amônia é realizada sobre catalisador de ferro a pressões

geralmente na faixa de 100-250 bar e temperaturas na faixa de 350-550ºC (EFMA,

2011).

Apenas 20-30% é reagido por passe no conversor devido a condições não

favoráveis de equilíbrio. A amônia que é formada é separada do gás de reciclo por

resfriamento/condensação, e o gás reagido é substituído pelo gás de síntese de

reposição, mantendo então o reciclo de pressão. Adicionalmente, um extensor

trocador de calor é necessário porque a reação é exotérmica e a ampla faixa de

temperatura no reciclo. Um catalisador de síntese de amônia desenvolvido

recentemente contendo rutênio sobre um suporte de grafite possui uma atividade

muito mais alta por unidade de volume e tem um potencial de aumentar a conversão

e abaixar as pressões de operação (EFMA, 2011).

Um fluxograma padrão para a operação da síntese de amônia compreende os

seguintes elementos principais (Figura 22) (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

a) Um compressor centrífugo multi-estágio acionado por uma turbina à vapor,

que pressuriza a alimentação bem como os gases de reciclo;

b) Um reator multi-camada, normalmente vertical, com escoamento axial das

correntes, projetado para alcançar circulação interna de efluentes gasosos,

Page 45: Fertilizantes nitrogenados

37

planejado para pré-aquecer a alimentação e, acima de tudo, remover o calor

gerado pela reação;

c) Uma sucessão de trocadores de calor e separadores de alta pressão

projetados para obter amônia líquida e para circular os gases não convertidos

para o compressor, que compõe o reciclo de síntese. Em certas instalações

recentes, um trocador de contato direto é instalado na saída do reator, com

tubos concêntricos duplos ou tubos de gás, para a produção de vapor de alta

pressão usados para acionar as turbinas;

d) Um ciclo de refrigeração de NH3 por compressão/expansão de Joule

Thomson compreendendo três estágios de temperatura (13,5ºC, -7,5ºC e -

33,5ºC) para liquefazer a amônia produzida a aproximadamente a -23,5ºC.

Os reciclos de síntese são normalmente de dois tipos, dependendo se a

amônia é recuperada antes ou depois da compressão. O primeiro fluxograma

(Figura 22) usa menos energia, mas ambos reciclos lavam os gases com amônia

líquida, permitindo a dissolução parcial das impurezas e estendendo a vida do

catalisador (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Os arranjos do reciclo de síntese diferem com respeito ao pontos no reciclo

em que o gás de reposição (make-up) é liberado e o gás de purga e a amônia são

retirados. O melhor arranjo é adicionar o gás de make-up depois da condensação da

amônia e a frente do conversor. A purga no reciclo deveria ser retirada depois da

separação da amônia, e antes da adição do gás de make-up. Esta configuração

depende que o gás de make-up seja tratado em uma etapa de secagem antes de

entrar no reciclo. Um gás de make-up contendo traços de água ou CO2 deve ser

adicionado antes da condensação da amônia, com efeitos negativos tanto para a

condensação da amônia e quanto para o consumo de energia (EFMA, 2011).

Processos de reforma convencionais com metanação como o último passo de

purificação produz um gás de síntese contendo inertes (metano e argônio) em

quantidades que não se dissolvem na amônia condensada. A maior parte destes

inertes é removida pela retirada de uma corrente de purga do reciclo. O tamanho

desta corrente controla o nível de inertes no reciclo de aproximadamente 10-15%. O

gás de purga é lavado com água para remover a amônia antes de ser usado como

Page 46: Fertilizantes nitrogenados

38

combustível, ou antes, de ser enviado para uma unidade de recuperação de

hidrogênio (EFMA, 2011).

A condensação da amônia está longe de ser completa se o resfriamento é

com água ou ar, e é geralmente não satisfatória (dependendo da pressão no reciclo

e a temperatura do meio de resfriamento). A vaporização da amônia é usada como

um refrigerante na maioria das plantas de amônia, para alcançar concentração de

amônia suficientemente baixas no gás de reciclo do conversor. Os vapores de

amônia são liquefeitos depois da recompressão no compressor da refrigeração.

Uma característica inovadora destes processos obviamente reside no tipo de

catalisador empregado, e também, no nível de tecnologia, no projeto do reator. Dois

tipos de equipamentos são normalmente disponíveis, reatores tubulares e de leitos

múltiplos (Figura 23) (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Figura 22: Esquema básico do reciclo de síntese de amônia (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989)

Page 47: Fertilizantes nitrogenados

39

Figura 23: Exemplos de reatores de síntese de amônia

(a) (b) (c) (d)

Figura 24: Reatores de síntese de amônia: Tecnologia Casale (a) e (b), Conversor

S-300 Haldor Topsoe (c), Conversor Uhde (d)

Page 48: Fertilizantes nitrogenados

40

Figura 25: Síntese de amônia pela oxidação parcial de hidrocarbonetos

Figura 26: Síntese de amônia pela reforma a vapor de hidrocarbonetos

Page 49: Fertilizantes nitrogenados

41

Figura 27: Processo KBR de produção de amônia

Figura 28: Processo Haldor Topsoe de produção de amônia

Page 50: Fertilizantes nitrogenados

42

Figura 29: Processo Casale de produção de amônia padrão

Figura 30: Processo Casale de produção de amônia de grande capacidade

Page 51: Fertilizantes nitrogenados

43

Figura 31: Processo Uhde Dual-Pressure de produção de amônia

Page 52: Fertilizantes nitrogenados

44

2.2 Processo de produção de ácido nítrico

O ácido nítrico é um ácido forte que ocorre na natureza apenas na forma de

sais de nitrato. Quando a produção em larga escala começou, o nitrato de sódio

(Salitre do Chile) foi utilizado como matéria prima. No início do século 20 as reservas

do salitre do Chile foram consideradas estar próximas da exaustão, assim um

processo foi desenvolvido para substituir o nitrogênio de nitratos naturais por

nitrogênio atmosférico. Três técnicas foram usadas industrialmente (ULLMANN,

2005):

a) Produção de monóxido de nitrogênio pela reação de nitrogênio atmosférico e

oxigênio a temperaturas maiores que 2000ºC (processo direto);

b) Produção de amônia pela hidrólise de cianamida de cálcio sob pressão;

c) Produção de amônia de nitrogênio e hidrogênio.

A combustão direta do ar em um arco elétrico, desenvolvida por Birkeland e

Eyde, foi abandonada devido a sua baixa eficiência energética. Processos diretos

posteriores, tal como a síntese térmica do monóxido de nitrogênio com combustíveis

fósseis ou a síntese de monóxido de nitrogênio em reatores nucleares não

ganharam ampla aceitação. A produção de amônia da cianamida de cálcio foi

apenas transitória. A amônia produzida do nitrogênio e hidrogênio pelo processo

Haber-Bosch é, entretanto, ainda usado como a matéria prima para a produção de

ácido nítrico (ULLMANN, 2005).

A etapa crucial na produção de ácido nítrico, a combustão catalítica da

amônia, foi desenvolvida por Ostwald por volta da virada do século. Os mais

importantes parâmetros de projeto para uma planta de ácido nítrico foram

determinados primeiramente em testes de laboratório e depois em uma planta piloto.

A primeira unidade de produção empregando o processo de Ostwald entrou em

operação em 1906 em Gerthe na Alemanha (ULLMANN, 2005).

Page 53: Fertilizantes nitrogenados

45

Em 1991, haviam aproximadamente 65 plantas de produção de ácido nítrico

nos Estados Unidos com uma capacidade total de 11 milhões de toneladas de HNO3

por ano. As plantas variam em tamanho de 6000 a 7000 toneladas por ano.

Aproximadamente 70% do ácido nítrico produzido é consumido como um

intermediário na produção di nitrato de amônio (NH4NO3), que por sua vez é usado

como fertilizante. A maioria das plantas de ácido nítrico está localizada em regiões

agrícolas tais como o Centro-oeste, Centro-sul, e Estados do Golfo devido à alta

demanda de fertilizantes nestas áreas. Outros 5% a 10% do ácido nítrico produzido

é usado para a oxidação orgânica na produção de ácido adípico (EPA, 2010).

O ácido nítrico é também usado na oxidação orgânica para produção de ácido

tereftálico e outros compostos orgânicos. A produção de explosivos utiliza ácido

nítrico para nitrações orgânicas. Nitrações com ácido nítrico são usadas na

produção de nitrobenzeno, dinitrotolueno, e outros intermediários químicos. Outras

utilizações finais do ácido nítrico são a separação de ouro e prata, munições

militares, decapagem de aço e metal, fotogravura, e acidulação de rochas fosfáticas

(EPA, 2010).

2.2.1 Processo

A produção industrial do ácido nítrico pelo processo Ostwald é descrito a

seguir. O processo envovle três etapas químicas (Figura 32) (ULLMANN, 2005):

1) Oxidação catalítica da amônia com oxigênio atmosférico para resultar em

óxido nítrico:

Equação 12: Oxidação da amônia

4 NH3 5 O2+ 4 NO + 6 H2O

Page 54: Fertilizantes nitrogenados

2

3

2) Oxidaçã

dinitrogê

3) Absorçã

ão do óx

ênio:

E

ão dos óxid

Eq

2 NO

xido nítrico

quação 13

dos de nitr

quação 14

Figura

3 NO2

+ O2

o para d

3: Oxidaçã

rogênio pa

4: Absorção

a 32: Proce

H2O+

2 NO

ióxido de

ão do óxido

ra resultar

o do NO2 e

esso Ostwa

2 HNO

2 H = - 1

nitrogêni

o nítrico

em ácido

em água

ald

NO+O3

1127 kJ/m

io ou tet

nítrico:

ol

46

róxido de

6

e

Page 55: Fertilizantes nitrogenados

47

O modo em que estas três etapas são implementadas caracteriza vários

processos de ácido nítrico. No processo de pressão única (“single-pressure”), a

combustão da amônia e a absorção de NOx acontecem na mesma pressão de

operação. Isto inclui os processos de pressão média (230-600 kPa) e alta pressão

(700-1100 kPa). Muito poucas unidades atualmente empregam baixa pressão (100-

220 kPa) para ambos processos de combustão e absorção (ULLMANN, 2005).

Em processos de dupla pressão, a pressão na absorção é maior do que a da

combustão. Plantas modernas de pressão dupla caracterizam-se por operar a

combustão a 400-600 kPa e absorção a 900-1400 kPa. Um trabalho intensivo sobre

a combustão da amônia bem como a oxidação e absorção dos óxidos de nitrogênio

foram bem documentados desde o início da década de 20. Até agora a combustão

da amônia foi considerada como uma reação catalítica de superfície heterogênea

com reações laterais indesejadas. A oxidação do monóxido de nitrogênio é um raro

exemplo de uma reação homogênea de terceira ordem na fase gás. A absorção do

NOx é uma reação heterogênea entre fases fluidas (isto é, gás e líquido) (ULLMANN,

2005).

O ácido nítrico produzido pelo processo mencionado produz um ácido diluído

que pode ter concentrações de 30% a 70%. Ele pode ser concentrado por uma

segunda etapa que combina a desidratação, branqueamento, condensação, e

absorção para produzir ácido nítrico de alta concentração a partir do ácido nítrico

diluído. O ácido nítrico de alta concentração geralmente possui mais que 90% de

ácido nítrico (EPA, 2010).

2.2.2 Produção do ácido nítrico diluído (30%-70%)

O processo de produção do ácido nítrico diluído é realizado pela oxidação

catalítica a alta temperatura da amônia conforme a Figura 33. Este processo

tipicamente consiste de três etapas: oxidação da amônia, oxidação do óxido nítrico,

e absorção. Cada etapa corresponde a uma reação química distinta (EPA, 2010).

Page 56: Fertilizantes nitrogenados

48

Oxidação da amônia

Primeiramente, uma mistura de 1:9 de amônia/ar é oxidada na temperatura de

750ºC a 800ºC assim que passa através de um conversor catalítico, de acordo com

a seguinte reação (EPA, 2010):

Reação principal:

Reações laterais:

Equação 15: Reações durante a oxidação da amônia

O catalisador mais comum usado é feito de uma tela de 90% de platina e 10%

ródio construída de fios finos na forma de quadrados. Sob estas condições a

oxidação da amônia para óxido nítrico (NO) processa-se em uma reação exotérmica

com uma faixa de rendimento de 93% a 98%. As temperaturas de oxidação podem

variar de 750ºC a 900ºC. Altas temperaturas do catalisador aumentam a seletividade

de reação na direção da produção de NO. Baixas temperaturas do catalisador

tendem a ser mais seletiva na direção de subprodutos: nitrogênio (N2) e óxido nitroso

4 NH3 5 O2+ 4 NO + 6 H2O H = -904 kJ/mol

4 NH34 O2+ 2 N2O + 6 H2O H = -1105 kJ/mol

4 NH33 O2+ 2 N2 + 6 H2O H = -1268 kJ/mol

2 NO N2 + O2 H = -90 kJ/mol

4 NH3 + 6 NO 5 N2 + 6 H2O H = -1808 kJ/mol

Page 57: Fertilizantes nitrogenados

49

(N2O). O óxido nítrico é um poluente e o óxido nitroso é conhecido como um gás de

efeito estufa. A mistura de dióxido de nitrogênio/dímero passa então através de um

recuperador de calor e um filtro de platina (EPA, 2010).

Em temperaturas baixas (200-400ºC), a taxa de oxidação da amônia é

limitada pela cinética da reação. Os subprodutos nitrogênio e especialmente N2O

são formados preferencialmente. Entre 400-600ºC, a taxa de reação torna-se

limitada pela transferência de massa, que é então dominante acima de 600ºC. O

controle pela transferência de massa relaciona a taxa de difusão da amônia através

do filme de gás na superfície do catalisador. O produto neste regime de reação é o

NO (ULLMANN, 2005).

A superfície do catalisador experimenta uma pressão parcial de amônia e

uma pressão parcial de oxigênio diminuída devido a limitações de transferência de

massa. A reação lateral catalítica entre amônia e óxido nítrico é acelerada por um

aumento das pressões parciais de ambas as espécies sobre a superfície do

catalisador. Se o envenenamento da superfície do catalisador ocorre, o número de

sítios diminui e a pressão parcial, particularmente da amônia, aumenta nos centros

ativos remanescentes. O resultado é o aumento na formação de subprodutos. Na

prática, este deslocamento é compensado pelo aumento da temperatura, isto é, a

reação é novamente deslocada na região limitada pela difusão gás-filme

(ULLMANN, 2005).

No início na campanha a superfície do catalisador possui uma superfície

regular e, portanto, apenas uma limitação suave de transferência de massa na fase

gás, que resulta em um rendimento inicial menor do óxido nítrico. Depois de um

pequeno tempo de serviço, entretanto, a área superficial do catalisador aumenta

grandemente devido a mudanças micro-estruturais e interações com os constituintes

voláteis do catalisador (Figura 33). O crescimento da área superficial do catalisador

aumenta a limitação de transferência de massa na fase gás e, portanto, o

rendimento do óxido nítrico (ULLMANN, 2005).

Page 58: Fertilizantes nitrogenados

50

Figura 33: Foto da tela de platina-ródio por microscopia de varedura eletrônica (A-

Estágio inicial; B-Estágio altamente ativado) (ULLMANN, 2005)

Do ponto de vista da engenharia, a combustão da amônia é uma das reações

catalíticas mais eficientes (máxima conversão de 98% possível). De acordo com a

estequiometria da Equação 12, a mistura reacional de amônia/ar deveria conter

14,38% de amônia. Entretanto, uma razão menor de amônia/ar é empregada por

uma variedade de razões, sendo a mais importe que a conversão diminui com uma

razão muito alta, e também porque amônia e ar formam uma mistura explosiva.

Devido à mistura de amônia e ar na prática industrial ser incompleta, razões maiores

podem ocorrer localmente, sendo assim necessária a inclusão de uma margem de

segurança abaixo do limite de explosividade. O limite de explosividade diminui com a

pressão de modo que queimadores de alta pressão podem operar com até 11% de

amônia, enquanto que em sistemas de baixa pressão é possível operar com 13,5%

de amônia. O limite de explosividade também depende da velocidade de

escoamento e do conteúdo de água na mistura reacional (ULLMANN, 2005).

De acordo com o princípio de Le Chatelier, o aumento no volume na Equação

12 implica que a conversão declina assim que a pressão aumenta (Figura 34). Se as

velocidades do gás são muito altas ou o número de telas catalíticas é insuficiente, a

conversão para óxido nítrico diminui devido a reação da amônia com óxido nítrico

Page 59: Fertilizantes nitrogenados

51

formando nitrogênio e água. Se as velocidades do gás são muito baixas ou se

muitas telas foram usadas, ocorre a decomposição do óxido nítrico em nitrogênio e

oxigênio (ULLMANN, 2005).

Tabela 8: Limites de explosividade de misturas de amônia-ar em pressão

atmosférica (ULLMANN, 2005)

Velocidade de

escoamento

(m/s)

Limite de explosividade

inferior

(%NH3)

Limite de explosividade

superior

(%NH3)

0 15.5 27,5

3 28 38

5-8 30 40

12 32 37

14 nenhum nenhum

Tabela 9: Dados típicos de projeto para queimadores de amônia (ULLMANN, 2005)

Pressão

(MPa)

Número de

telas

Velocidade

do gás

(m/s)

Temperatura

de reação

(ºC)

Perda de

catalisador

(g/t HNO3)

O,1-0,2 3-5 0,4-1,0 840-850 0,05-0,10

0,3-0,7 6-10 1-3 880-900 0,15-0,20

0,8-1,2 20-50 2-4 900-950 0,25-0,50

Page 60: Fertilizantes nitrogenados

52

Figura 34: Conversão da amônia para óxido nítrico sobre tela de platina como

função da temperatura (a – 100 kPa; b – 400 kPa) (ULLMANN, 2005)

Figura 35: Perda de metais preciosos na combustão de amônia para óxido nitríco

como função da temperatura e composição do catalisador ((a) Pt; (b) Pt-Rh 98/2; (c)

Pt-Rh 90/10) (ULLMANN, 2005)

Page 61: Fertilizantes nitrogenados

53

Uma alta temperatura de reação promove a combustão da amônia (Figura

34), mais temperaturas altas diminuem a conversão. Temperaturas até 950ºC foram

realizadas, mas as perdas de catalisadores, principalmente devido a vaporização,

aumentaram grandemente (Figura 36). O modo usual de manter a conversão em

direção do fim da campanha, apesar da desativação e perdas de catalisador, é

aumentando a temperatura. A razão amônia/ar é diretamente relacionada a

temperatura de reação: um aumento de 1% na proporção de amônia aumenta a

temperatura em cerca de 68 K. Se a temperatura é muito baixa, a conversão para

óxido nítrico diminui. A temperatura de reação também depende da temperatura da

mistura de entrada. A fórmula seguinte apresenta um valor aproximado emºC

(ULLMANN, 2005):

. 68

Equação 16: Temperatura de reação da combustão da amônia em função da

temperatura da mistura e razão de amônia na alimentação

Figura 36: Conversão da amônia para óxido nítrico sobre tela de platina (a) e perdas

de platina (b) como uma função da composição do catalisador (ULLMANN, 2005)

Page 62: Fertilizantes nitrogenados

Figu

Fig

d

ura 37: Dia

gura 38: Re

de calor - L

agrama de

(a)

eatores de

Lentjes; (b)

e processo

de pres

e oxidação

) sistema in

(U

de uma pl

ssão única

catalítica

ntegrado d

ULLMANN

lanta de ác

a (EPA, 201

da amônia

de recupera

N, 2005)

cido nítrico

10)

(b)

a ((a) sistem

ação de ca

o usando o

)

ma de recu

alor - Stein

54

o processo

uperação

müller)

4

Page 63: Fertilizantes nitrogenados

55

Oxidação do óxido nítrico

O óxido nítrico formado durante a oxidação da amônia deve ser oxidado. A

corrente de processo é passada através de um resfriador/condensador e resfriado

até 38ºC ou menos a pressões de até 8 bar absoluto. O óxido nítrico reage não

cataliticamente com o oxigênio residual para formar o dióxido de nitrogênio (NO2) e

seu dímero, o tetróxido de dinitrogênio (N2O4) conforme a Equação 13 e Equação 17

(EPA, 2010)

Esta reação lenta e homogênea é dependente de alta temperatura e pressão.

Operando a baixas temperaturas e alta pressão promove a máxima produção de

NO2 com um tempo mínimo de reação (EPA, 2010). Reações laterais também

ocorrem:

Equação 17: Reação de dimerização do dióxido de nitrogênio

Equação 18: Formação do trióxido de dinitrogênio

Para descrever a cinética da oxidação do óxido nítrico (Equação 17), usa-se

uma equação da taxa de terceira ordem (ULLMANN, 2005):

Equação 19: Taxa de reação da oxidação do NO

2 NO2N2O4 H = - 58.08 kJ/mol

NO + NO2 N2O3 H = - 40 kJ/mol

Page 64: Fertilizantes nitrogenados

56

Onde:

r: taxa de reação, kmol.m-3.s-1

kp: constante da taxa de reação, atm-2s-1

R; constante universal do gases, m3.atm.kmol-1.K-1

T: Temperatura, K

p: pressão parcial, atm

652,11,0366

Equação 20: Dependência da constante da taxa com a temperatura

Esta reação não é usual porque ela processa-se mais rápido a baixas

temperaturas do que a altas temperaturas, isto é, a taxa de reação tem um

coeficiente de temperatura negativo. Devido ao fato do equilíbrio no sistema de

dimerização do dióxido de nitrogênio ser atingido muito rápido, uma fórmula de

equilíbrio pode ser assumida, onde Kp é constante de equilíbrio (ULLMANN, 2005).

Equação 21: Taxa da reação de dimerização do NO2

A taxa de dimerização é praticamente independente da temperatura, tal que a

constante da taxa (kp) a 25ºC é 5,7.105 atm-1s-1, podendo ser usada para todas

temperaturas de interesse técnico. Hoftyzr e Kwanten deram a seguinte equação

para a constante de equilíbrio NO2-N2O4 (ULLMANN, 2005):

Page 65: Fertilizantes nitrogenados

57

0,698 10

Equação 22: Constante de equilíbrio da reação de dimerização do NO2

Para a formação do trióxido de dinitrogênio a seguinte fórmula de equilíbrio

pode ser escrita:

Equação 23: Taxa da reação de formação do N2O3

A constante de equilíbrio pode ser determinada como:

0,698 10

Equação 24: Constante de equilíbrio da reação de formação do N2O3

Page 66: Fertilizantes nitrogenados

58

Absorção

A mistura de NO2/N2O4 entra em um processo de absorção depois de ser

resfriada. A mistura é bombeada na base de uma torre de absorção, enquanto que o

N2O4 líquido é adicionado em um ponto superior. A água de processo deionizada

entra no topo da coluna. Ambos os líquidos escoam em contracorrente a mistura

gasosa de NO2/N2O4. A oxidação é realizada nos espaços livres entre as bandejas,

enquanto que a absorção ocorre nas bandejas. A absorção nas bandejas são

geralmente bandejas perfuradas ou valvuladas. A reação exotérmica ocorre

conforme a Equação 14 (EPA, 2010):

A rota principal para formação do ácido envolve duas etapas na fase líquida.

Primeiramente, o N2O4 dissolvido reage com a água resultando em ácido nítrico e

nitroso (ULLMANN, 2005):

Equação 25: Reação de N2O4 e água

O ácido nitroso então se dissocia a ácido nítrico, água e óxido nítrico, sendo

que o NO é transportado através da interface no seio do gás:

Equação 26: Dissociação do HNO2

N2O4 + H2O HNO3HNO2+ H = - 87,0 kJ/mol

3 HNO2HNO3 H2O+ 2 NO+ H = - 15,3 kJ/mol

Page 67: Fertilizantes nitrogenados

59

Figura 39: Modelo não estequiométrico da absorção de óxidos de nitrogênio em

água (ULLMANN, 2005)

Uma corrente de ar secundária é introduzida na coluna para re-oxidar o NO

que é formado na Equação 14 e/ou Equação 26. Este ar secundário remove o NO2

do ácido produzido. Uma solução aquosa de 55-65% (tipicamente) de ácido nítrico é

retirado da base da torre. A concentração do ácido pode variar de 30% a 70% de

ácido nítrico. A concentração do ácido depende da temperatura, pressão, número de

estágios de absorção, e concentração dos óxidos de nitrogênio entrando na

absorvedora (EPA, 2010).

Existem dois tipos básicos usados para produzir o ácido nítrico diluído: (1)

Processo de estágio de pressão única, e (2) processo de estágio duplo de pressão.

No passado, as plantas de ácido nítrico foram operadas em pressão única, variando

da pressão atmosférica de 1 atm a 13,8 atm absoluto. Entretanto, desde que a

reação da Equação 12 é favorecida por baixas pressões e as reações da Equação

13 e Equação 14 são favorecidas por pressões mais altas, novas plantas tendem a

operar um sistema de estágio duplo de pressão, incorporando um compressor entre

Page 68: Fertilizantes nitrogenados

60

o reator de oxidação de amônia e o condensador. A reação de oxidação é

processada de pressões levemente negativas até aproximadamente 4 atm absoluto,

e as reações de absorção são processadas em 8-14 atm absoluto (EPA, 2010).

Figura 40:Torre de absorção ((a) entrada de gás nitroso, (b) comportimento interno,

(c) compartimento externo) (ULLMANN, 2005)

No sistema de pressão de estágio duplo, o ácido nítrico formado na

absorvedora (base) é geralmente enviado para um branqueador externo onde ar é

usado para remover (branquear) qualquer óxido de nitrogênio dissolvido. Os gases

branqueados são então comprimidos e passados através da absorvedora. O gás

residual da absorvedora (destilado) é enviado para um separador de arraste para a

remoção da mistura ácida. Depois, o gás residual é reaquecido no trocador de calor

Page 69: Fertilizantes nitrogenados

61

da oxidação da amônia para aproximadamente 200ºC. No passo final, ocorre a

expansão do gás na turbina de recuperação de potência. A energia térmica

produzida nesta turbina pode ser usada para acionar o compressor (EPA, 2010).

Figura 41:Diagrama de Toniolo para uma torre de absorção (AB processo de

absorção; BC processo de oxidação) (ULLMANN, 2005)

Page 70: Fertilizantes nitrogenados

62

Figura 42: Planta de pressão dupla da Uhde Krupp (MAURER; BARTSCH, 2001)

Page 71: Fertilizantes nitrogenados

63

2.2.3 Produção do ácido nítrico concentrado (98-99%)

O ácido nítrico produzido industrialmente contém aproximadamente 50-70 %

em massa de HNO3. Isto é alto suficiente para a produção de fertilizantes, mas os

processos de nitração na química orgânica industrial demandam o ácido

concentrado (98-100%). A destilação, o modo mais simples para concentrar o ácido

diluído, falha porque o ácido nítrico e a água formam um azeótropo (68,4% HNO3 na

pressão atmosférica) (ULLMANN, 2005).

Figura 43:Equilíbrio líquido-vapor para ácido nítrico-água (MAURER; BARTSCH,

2001)

Figura 44:Diagrama de fase para o sistema HNO3-H2O (MATHESWARAN et al,

2007)

Page 72: Fertilizantes nitrogenados

64

O ácido nítrico concentrado é produzido diretamente ou indiretamente. No

processo direto, a água gerada na combustão da amônia é retirada por um rápido

resfriamento para resultar em uma mistura de gás nitroso do qual o ácido

concentrado pode ser produzido diretamente em um dos dois modos (ULLMANN,

2005).

No primeiro, o NOx completamente oxidado pode ser separado na forma

líquida pela absorção no ácido nítrico concentrado, e então levado para um reator

onde é reagido com oxigênio e água (ou ácido fraco) sob pressão para resultar em

ácido concentrado. No segundo, os gases nitrosos podem reagir com o ácido

azeotropico para formar um ácido concentrado que pode ser convertido facilmente

para ácido concentrado e azeotropico por destilação. O último produto é tanto

reciclado completamente ou usado na produção ordinária de ácido diluído

(ULLMANN, 2005).

Figura 45:Equilíbrio líquido-vapor para ácido nítrico-água e H2SO4 (MAURER;

BARTSCH, 2001)

Page 73: Fertilizantes nitrogenados

65

No processo indireto, a concentração é baseada na destilação extrativa e

retificação com ácido sulfúrico ou nitrato de magnésio (ULLMANN, 2005).

Do ponto de vista da engenharia de processo, o processo de nitrato de

magnésio tem as seguintes vantagens (ULLMANN, 2005):

1) A instalação é muito compacta. Nenhum tanque de armazenamento é

necessário, que reduz as perdas de energia;

2) Devido ao fato do passo de reconcentração do nitrato de magnésio ser

processado em um vaso de aço inoxidável, praticamente nenhum material de

construção crítico é necessário;

3) O nitrato de magnésio pode ser transportado em sacos, e é, portanto, muito

mais fácil de manusear do que o ácido sulfúrico;

4) O condensado de ácido nítrico diluído, que é produzido quando a solução de

nitrato de magnésio é reconcentrada, é parcialmente reusada na absorção de

NOx. Perdas de ácido nítrico são muito poucas.

Figura 46:Fluxograma de processo simplificado para um processo de produção

direto de ácido nítrico concentrado com oxigênio (ULLMANN, 2005)

Page 74: Fertilizantes nitrogenados

66

3. Processos de produção de fertilizantes nitrogenados

3.1 Processo de produção de uréia

A uréia (NH2CONH2) ocorre em condições normais na forma de um sólido que

se decompõe antes de atingir o ponto de ebulição, e que é industrialmente

sintetizado pela reação de amônia com dióxido de carbono. É um intermediário

importante na produção de fertilizantes (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

3.1.1 Características do processo

Reação

Em todos os processos comerciais, a uréia é produzida pela reação de

amônia e CO2 a temperatura e pressão elevadas de acordo com as reações de

Basaroff (ULLMANN, 2005):

Equação 27: Reação de produção de uréia

A primeira conversão é exotérmica e a segunda é endotérmica. Como a

primeira reação produz mais calor do que é consumido pela segunda, a reação

global é exotérmica. Um esquema do processo global e equilíbrio físico-químico

envolvido é mostrado na Figura 47 (ULLMANN, 2005).

2 NH3 (g) + CO2 (g) NH2-COONH4 (l) Ho298 = -151 kJ/mol

NH2-COONH4 (l) NH2-CO-NH2 (l) + H2O (l) Ho298 = -32 kJ/mol

Page 75: Fertilizantes nitrogenados

67

Figura 47:Equilíbrio físico-químico da produção da uréia (ULLMANN, 2005)

Os processos diferem principalmente nas condições (composição,

temperatura e pressão) em que estão reação são processadas. Tradicionalmente, a

composição da fase líquida na zona de reação é expressa por duas razões molares:

geralmente, as razões molares NH3:CO2 e H2O:CO2. Ambas refletem a composição

da mistura inicial da reação (Equação 27) (ULLMANN, 2005).

Com as equações balanceadas (Equação 27), e nas condições de operação,

é impossível alcançar a conversão total dos reagentes (NH3 e CO2) e o

desaparecimento completo do produto intermediário (carbamato de amônio). Esta

condição que é devido as propriedades termodinâmicas dos reagentes e produtos, é

agravada mais ainda pelo fato que a reação de conversão carbamato para uréia ser

muito mais devagar do que a formação do carbamato. Isto torna necessário operar

em dois estágios (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

a) No primeiro, o efluente obtido consiste de uréia (40-60 %m), carbamato de

amônio, e amônia de dióxido de carbono não convertido;

b) No segundo, o carbamato de amônio é removido pela decomposição através

da reação reversa de formação, gerando assim os reagentes iniciais.

Page 76: Fertilizantes nitrogenados

68

A conversão alcançável por passe, ditada pelo equilíbrio químico em função

da temperatura passa através de um máximo (Figura 48 e Figura 49). Este efeito é

geralmente atribuído ao fato que a concentração do carbamato de amônio em

função da temperatura passa através de um máximo. Este máximo de concentração

de carbamato de amônio pode ser explicado, pelo menos qualitativamente, pelos

efeitos caloríficos das reações na Equação 27 (ULLMANN, 2005).

Figura 48:Conversão de CO2 em equilíbrio químico em função da temperatura –

NH3:CO2 = 3,5; H2O:CO2 = 0,25 (mistura inicial) (ULLMANN, 2005)

A influência da composição da mistura inicial no equilíbrio químico pode ser

explicado pela Equação 27 e pela lei da ação das massas (ULLMANN, 2005):

a) Aumentando a razão NH3:CO2 aumenta a conversão de CO2, mas reduz a

conversão de NH3;

b) Aumentando a quantidade de água na mistura inicial resulta na diminuição da

conversão de CO2 e NH3.

Page 77: Fertilizantes nitrogenados

Fi

Fig

tem

igura 49:C

NH3:C

gura 50:Re

mperatura

Conversão

CO2 = 3,5;

endimento

– NH3:CO

de NH3 em

H2O:CO2

de uréia n

O2 = 3,5; H2

m equilíbrio

= 0,25 (mi

a fase líqu

2O:CO2 = 0

o químico e

istura inicia

uida em eq

0,25 (mistu

em função

al) (ULLMA

uilíbrio quí

ura inicial)

o da tempe

ANN, 2005

ímico em f

(ULLMANN

69

eratura –

5)

função da

N, 2005)

9

Page 78: Fertilizantes nitrogenados

70

Figura 51:Rendimento de uréia na fase líquida em equilíbrio químico em função da

razão H2O:CO2 – NH3:CO2 = 3,5; T = 190ºC (mistura inicial) (ULLMANN, 2005)

O rendimento da uréia (isto é, a concentração da uréia na fase líquida) é

considerado a melhor ferramenta para julgar os parâmetros ótimos de processo do

que o CO2 ou NH3, visto que uma escolha arbitrária de um dos componentes como

parâmetro para avaliar a ótima conversão da reação pode facilmente levar a

conclusões erradas (ULLMANN, 2005).

A Figura 50 ilustra o rendimento da uréia como uma função da temperatura

que passa através de um máximo, que é função da composição. A Figura 51 mostra

o efeito negativo do excesso de água no rendimento de uréia; portanto, um dos

objetivos no projeto de um sistema de reciclo deve ser a minimização da água no

reciclo. A Figura 52 mostra que o rendimento da uréia em função da razão NH3:CO2

atinge um máximo um pouco acima da razão estequiométrica (2 : 1). Esta é uma das

razões porque todos os processos comerciais operam a razões de NH3:CO2 acima

da razão estequiométrica. Outra razão importante para isto pode ser encontrada da

fase de equilíbrio no sistema NH3-CO2-H2O-Uréia (ULLMANN, 2005).

Page 79: Fertilizantes nitrogenados

71

Figura 52:Rendimento de uréia na fase líquida em equilíbrio químico em função da

razão NH3:CO2 – H2O:CO2 = 0,25; T = 190ºC (mistura inicial) (ULLMANN, 2005)

A reação lateral principal leva a formação de biureto, especialmente durante a

recuperação e purificação da uréia, quando o efluente bruto é submetido a uma

temperatura excessivamente alta (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

Equação 28: Reação de formação do biureto a partir da uréia

O biureto é um veneno para vegetais se seu conteúdo é muito alto. Sua

concentração deve ser mantida abaixo de 0,9% em massa. Na prática, a uréia

contem menos do que 0,3% em massa (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

A reação de formação do biureto (Equação 28) também se aproxima do

equilíbrio no reator de uréia. A alta concentração de NH3 no reator desloca a reação

NH2-CO-NH2 NH2-CO-NH-CO-NH2 + NH3

Page 80: Fertilizantes nitrogenados

72

para esquerda de tal modo que apenas uma pequena quantidade de biureto é

formada no reator. Nas seções seguintes da planta, o NH3 é removido da solução de

uréia, criando deste modo uma força motora para a formação do biureto. O grau em

que o biureto é formado é determinado pela cinética de reação, de modo que para

diminuir sua formação deve-se diminuir o tempo de contato da solução de uréia com

altas temperaturas (ULLMANN, 2005).

Outra reação lateral é a hidrólise da uréia:

Equação 29: Reação de hidrólise da uréia

No reator a reação da Equação 29 aproxima-se do equilíbrio, e em todas as

seções seguintes da planta as concentrações de NH3 e CO2 na solução de uréia

tendem a deslocarem para direita. O grau em que a reação ocorre é determinado

pela temperatura (altas temperaturas favorecem a hidrólise) e pela cinética de

reação. O modo para diminuir a hidrólise da uréia é similar as ações para evitar a

formação de biureto (ULLMANN, 2005).

Condições de operação

A. Reação de síntese

A uréia é sintetizada da amônia e gás carbônico a temperaturas variando de

170ºC a 210ºC, e a pressões entre 12 MPa e 30 MPa absoluto. A tendência atual é

usar uma pressão de aproximadamente 15 MPa absoluto. A temperatura de reação

deve ser tal que (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

a) O carbamato de amônio é líquido (> 183ºC);

NH2-CO-NH2 + H2O NH2-COONH4 2 NH3 + CO2

Page 81: Fertilizantes nitrogenados

73

b) A conversão no equilíbrio seja máxima: cálculos mostram que esta

temperatura aumenta diretamente com a razão NH3:CO2, e a faixa de 180ºC a

190ºC é geralmente selecionada.

O processo geralmente difere pela composição do gás de alimentação do

reator. Alguns processos empregam um grande excesso de amônia com a razão

NH3:CO2 variando de 4 a 6. Isto alcança altas conversões de CO2 (75-80%). Outros

usam apenas um pequeno excesso ou até operam com reagentes em proporções

estequiométricas. Isto leva a uma menor conversão (40-50%) e necessita de reciclo

de gases não convertidos (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Em vista de efeitos inibitórios de oxigênio na ação corrosiva do meio

reacional, pequenas quantidades de ar são adicionadas na alimentação do CO2.

Entretanto, se o CO2 empregado é obtido da planta de amônia, deve-se primeiro

livrar-se do hidrogênio por oxidação catalítica, para evitar perigo de explosão

subsequentes (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

B. Reação de decomposição do carbamato de amônio

Este é o ponto onde o processo exibe ampla diferença. Dois métodos são

teoricamente disponíveis para processar a reação de decomposição (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989):

a) Abaixamento da temperatura e pressão

Abaixando a temperatura e pressão desloca o equilíbrio em direção

aos reagentes iniciais. A mistura gasosa é então re-comprimida, causando

sua re-combinação, e a solução de carbamato é reciclada (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989).

Se amônia é presente em excesso, ela separa da solução de

carbamato e é reciclada na forma gasosa. Para minimizar os custos totais da

re-compressão dos compostos gasosos, a decomposição é processada em

dois estágios, e o gás produzido é reciclado depois de cada estágio. Como

Page 82: Fertilizantes nitrogenados

74

regra, a primeira opera a 2 MPa absoluto, a segunda a 0,1-0,2 MPa absoluto,

a temperaturas na faixa de 160-200ºC (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

b) Deslocamento do equilíbrio de dissociação

Baseado na lei da ação das massas e a lei de Dalton, pode ser

mostrado que a pressão de dissociação (P) do carbamato de amônio nos

componentes gasosos é governado pela equação (CHAUVEL; LEFEBVRE,

1989):

0,53

..

Equação 30: Pressão de dissociação do carbamato líquido

Onde Ps(T) é a pressão de dissociação da mistura estequiométrica

NH3:CO2 = 2 em função da temperatura, yNH3 e yCO2 são as frações molares

na fase gás.

Claramente, se a proporção de um dos componentes na fase gás é

aumentada, yNH3 1 ou yCO2 1, a pressão de dissociação tende em direção

ao infinito. Por isso parece possível alcançar a decomposição do carbamato

pelo esgotamento (stripping) por amônia ou gás carbônico (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989).

Este recurso oferece a vantagem de alcançar a decomposição do

carbamato a uma pressão igual ao da síntese, e, portanto, reduzindo os

custos de re-compressão da mistura de CO2/NH3 (CHAUVEL; LEFEBVRE,

1989).

C. Reação de formação do biureto

Page 83: Fertilizantes nitrogenados

75

O biureto aparece principalmente durante a concentração da uréia e durante a

formação dos grãos. Sua taxa de formação durante a evaporação varia diretamente

com a temperatura e taxa de reação, e inversamente com a pressão (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989):

100 é .0,55. ,

100 é .. , . 10

, ,

Equação 31: Taxa de formação semi-empírica de biureto

3.1.2 Processos de produção

As principais peculiaridades e desafios do processo de produção de uréia são

(ULLMANN, 2005):

a) O limite termodinâmico na conversão por passe através do reator de uréia,

combinado com o comportamento azeotropico do sistema NH3-CO2, necessita

de um projeto astuto do sistema de reciclo;

b) O produto carbamato de amônio intermediário é extremamente corrosivo.

Uma combinação própria das condições de processo, materiais de

construção, e dimensionamento de equipamento é, portanto, essencial;

c) A ocorrência das duas reações laterais – hidrólise da uréia e formação do

biureto – deve ser considerada.

Os tipos principais de processos podem ser distinguidos:

a) Processos convencionais

b) Tecnologias caracterizando a decomposição do carbamato de amônio por

esgotamento (gas stripping)

Page 84: Fertilizantes nitrogenados

76

Processos convencionais

a. Processo de passe único

Estes são os primeiros, operando a 24 MPa absoluto, e aproximadamente

180-190ºC, em que o carbamato é decomposto a aproximadamente a 160ºC por

uma simples expansão em dois estágios (1,7 MPa e 0,2 MPa absoluto). A amônia e

o dióxido de carbono recuperados são enviados para outras unidades (ácido nítrico,

sulfato de amônia, nitrato de amônia, etc.). Este tipo de instalação foi abandonado

com o aumento da capacidade das unidades de produção, e a conseqüente

necessidade para encontrar mercados para os subprodutos (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989).

b. Processo com reciclo parcial da amônia líquida

O efluente do reator de síntese é expandido e enviado para uma coluna, em

que o excesso de amônia é separado, condensado e reciclado como um líquido para

o reator. O carbamato é então decomposto por dois estágios de expansão

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

c. Processo de reciclo total

O carbamato de amônio é decomposto pela expansão em vários estágios

(dois a quatro). A amônia e o dióxido de carbono em excesso ou liberado pode então

ser reciclado para o reator que opera a aproximadamente a 20-21 MPa absoluto, e

aproximadamente 200ºC, por duas variantes possíveis (CHAUVEL; LEFEBVRE,

1989):

Page 85: Fertilizantes nitrogenados

77

1) Na forma gasosa, que apresenta a desvantagem de gerar um alto custo de

recompressão, embora uma melhoria significante fosse fornecida pela

introdução de compressores centrífugos.

2) Na forma líquida (amônia e carbamato de amônio), pela associação com cada

estágio de expansão (normalmente dois) de uma absorvedora operando na

mesma pressão. Esta operação, na presença de água, garante a

recombinação dos reagentes depois de sua condensação, resultando em uma

solução aquosa de carbamato na base, bem como a evaporação no topo da

coluna, devido a exotermicidade da reação, do excesso de amônia que é

então re-condensado. Estes reciclos de líquidos eliminam a necessidade de

compressores, mas dão um aumento substancial de corrosão.

d. Processos integrados

Esta versão desenvolvida em particular pela SNAM, Mitsui Toatsu, Ammonia

Casale, etc., integra as unidades de produção de amônia e uréia. Ela oferece as

seguintes vantagens (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

a) Eliminação dos custos de compressão de CO2, que é produzido diretamente

pela preparação do gás de síntese de amônia;

b) Uso direto da amônia;

c) Simplificação do estágio de absorção de CO2 na unidade de produção de

amônia, devido ao desaparecimento da seção de regeneração do absorvente,

desde que o CO2 é diretamente recuperado por meio de uma solução aquosa

de carbamato e amônia.

Processos com decomposição do carbamato por esgotamento (gas stripping)

O processo de esgotamento de CO2 desenvolvido pela Stamicarbon

caracteriza-se que a maior parte do reciclo da NH3 e CO2 não convertidos ocorre na

fase gás, tal que nenhum dos reciclos está associado com uma grande reciclo de

água para a zona de síntese. Outra característica que diferencia entre processos

Page 86: Fertilizantes nitrogenados

78

convencionais e de esgotamento em termos de esquema de reciclo, podem ser

encontrados no modo que o calor é fornecido para a zona de recirculação (Figura 48

e Figura 49) (ULLMANN, 2005).

Os processos de decomposição do carbamato por esgotamento são

processos de reciclo total operando com um reciclo de produtos não convertidos a

pressão praticamente constante, variando entre 15 MPa e 20 MPa absoluto

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Como em técnicas convencionais, a uréia é produzida em aproximadamente

180ºC para 200ºC. Por outro lado, o carbamato residual é decomposto na pressão

de síntese, pela redução de sua pressão parcial por meio do esgotamento por gás. A

recombinação dos reagentes então liberada ocorre depois sua condensação, pela

passagem em uma absorvedora ou uma lavadora, que também serve para re-

condensar as frações vaporizadas durante a reação, e para alcançar o reciclo

enteiramente na forma líquida. Para minimizar os problemas de corrosão, os

diferentes efluentes são normalmente forçados a escoar por gravidade, ou por

vaporização, ou até por meio de ejetores (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Características técnicas de processos de reciclo total

Esquema básico

Os reagentes, purificados para remover o CO e umidade, são comprimidos

separadamente e então introduzidas no reator, onde o carbamato é rapidamente

formado (Figura 56). O reator geralmente opera adiabaticamente, e a temperatura

deve ser controlada estritamente devido a severa corrosão pelas soluções de

carbamato de amônio acima de 200ºC (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

O efluente do reator, consistindo de uréia, carbamato de amônia e reagentes

não convertidos, é sujeito pela alteração das condições de operação para a

decomposição que converte parte do carbamato de amônio para CO2 e NH3. O

produto gasoso resultante é comprimido e condensado. Isto leva a uma formação

renovada do carbamato que é reciclado para um reator em solução aquosa,

Page 87: Fertilizantes nitrogenados

79

enquanto que o excesso de amônia é misturado com amônia de alimentação. Toda

operação é repetida para decompor todo o carbamato, e obter uma solução final que

contem 72-76 % em massa de uréia, e a pureza final desejada pode ser obtida por

um tratamento de polimento (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Se o conteúdo de biureto estiver na faixa de 0,7-0,9 % (padrão de

fertilizantes), várias operações de evaporação são primeiramente conduzidas sob

vácuo com tempo de residência limitado, seguido por centrifugação, e terminando na

pulverização do produto em uma torre de “prilling2” (perolação). Baixos conteúdos de

biureto (0,2-0,3 %) necessitam cristalização fracionada seguida por granulação

(CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Técnicas convencionais de prilling fazem uso de torres em que uréia fundida é

introduzida no topo por meio de um pulverizador. Estas torres de prilling naturais e

corrente forçada de ar também agem como resfriadores. Portanto, para obter grãos

de tamanho grande (4 a 6 mm), exigidos para certos usos de fertilizantes, as torres

podem ser de até 50 a 80 metros de altura (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

Processos Stamicarbon

O processo Stamicarbon I é uma técnica de reciclo convencional total. Sua

principal característica consiste de introduzir pequenas quantidades de oxigênio no

meio reacional para minimizar a corrosão. Isto foi seguido pelo processo

Stamicarbon II (Figura 57), baseado na decomposição de carbamato de amônio pelo

esgotamento com CO2. O reciclo da síntese de uréia caracteriza-se por quatro

passos principais neste caso (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989):

2 Processo que forma cristais ou aglomerados do tamanho de grãos do material pela ação de uma corrente de ar ascendente sobre uma solução quente em queda.

Page 88: Fertilizantes nitrogenados

80

Figura 53:Diagrama de processo típico para uma planta de uréia: a) compressor de

CO2; b) bomba de alta pressão de amônia; c) reator de uréia; d) vaso de

decomposição de média pressão; e) coluna de separação de amônia-carbamato; f)

vaso de decomposição de baixa pressão; g) evaporador; h) prilling; i)

desabsorvedora. j) seção de condensação a vácuo (ULLMANN, 2005)

Figura 54:Diagrama conceitual de balanço térmico de um processo convencional de

uréia (ULLMANN, 2005)

Page 89: Fertilizantes nitrogenados

81

Figura 55:Integraçaõ térmica de uma planta de esgotamento na forma de conceitual

(ULLMANN, 2005)

Figura 56: Produção de uréia – Processo convencional Mitsui Toatsu (CHAUVEL;

LEFEBVRE, 1989)

Page 90: Fertilizantes nitrogenados

82

Figura 57: Produção de uréia – Processo Stamicarbon (CHAUVEL; LEFEBVRE,

1989)

Page 91: Fertilizantes nitrogenados

83

a) Condensação do CO2 e amônia para formar carbamato. Esta operação ocorre

em um trocador de calor convencional, entre 150ºC e 170ºC, a

aproximadamente 14,5 MPa absoluto. Ele usa a amônia líquida alimentada

bem como o reciclo secundário de uma fase aquosa, consistindo de

carbamato e reagentes residuais, que são introduzidas juntas por meio de um

ejetor para minimizar os problemas de corrosão a temperaturas elevadas. A

condensação também ocorre no reciclo primário de reagentes não

convertidos que, juntos com o make-up de CO2, é tomado do estágio de

decomposição do carbamato pelo esgotamento por gás. A reação é

exotérmica e produz vapor de baixa pressão;

b) A conversão do carbamato para uréia, em um reator vertical operando entre

170ºC e 185ºC, a pressão de 14,5 MPa absoluto, com uma razão de NH3:CO2

de 2,8 a 2,9 (valor teórico de 2,4), tempo de residência de 45 a 60 minutos, e

conversão por passe de aproximadamente 60%;

c) Decomposição do carbamato não convertido por arraste usando CO2

alimentado. Isto também ocorre a 14,5 MPa absoluto, aproximadamente a

185ºC, em um trocador de calor de filme descendente, aquecido no lado

casco por vapor de alta pressão.O make-up de CO2 é primeiro livre do

hidrogênio por oxidação sobre um catalisador de platina. Esta operação ajuda

a separar 85% do CO2 não convertido e amônia;

d) Reciclo dos reagentes não reagidos, tanto na forma gasosa diretamente, ou

indiretamente na forma líquida, depois de tratar a solução aquosa de uréia do

estágio de esgotamento. Depois da expansão a 0,2-0,3 MPa absoluto, esta

operação inclui uma destilação durante o qual as frações gasosas, depois de

resfriar e parcialmente condensar, recombinam parcialmente para formar o

carbamato. Os gases residuais são lavados para minimizar as perdas de

reagentes.

Page 92: Fertilizantes nitrogenados

84

Independentemente da concentração da uréia em uma série de

evaporadores, o resto do diagrama compreende a passagem através da torre de

prilling, bem como tratamentos de recuperação e antipoluição sobre as diferentes

correntes de gás e líquido (CHAUVEL; LEFEBVRE, 1989).

3.1.3 Tecnologia de formação do produto

Existem duas tecnologias para formação dos grãos de uréia: Prilling e granulação.

Prilling

Por muito tempo o processo de prilling foi largamente utilizado como

tecnologia para a forma final da uréia. Neste processo, a uréia fundida é distribuída

na forma de gotas em uma torre. Esta distribuição é realizada tanto por chuveiros ou

pelo uso de dispersores rotatórios equipados com furos. As gotas de uréia

solidificam assim que elas caem pela torre, sendo resfriadas em contracorrente com

o ar ascendente. O processo de prilling possui várias desvantagens (ULLMANN,

2005):

1) O tamanho do produto é limitado a um diâmetro médio máximo de

aproximadamente 2,1 mm. O produto com tamanho maior necessitaria de

altas torres de prilling que não são viáveis econômicamente; além disso,

gotas maiores tendem a ser instáveis;

2) Durante o processo de prilling há a formação de poeira muito fina. A remoção

desta poeira é tecnicamente difícil e uma operação cara;

3) A resistência ao esmagamento e resistência ao choque dos grãos são

limitados, fazendo o produto menos adequado para transporte a granel sobre

longas distâncias. Este problema pode ser largamente superado com técnicas

Page 93: Fertilizantes nitrogenados

85

apropriadas para melhorar as propriedades físicas, tal como semeadura para

melhorar a resistência ao choque ou adição de formaldeído para melhorar a

resistência ao esmagamento e suprimir a tendência de aglutinação.

Granulação

Os inconvenientes do prilling iniciaram o desenvolvimento de várias técnicas

de granulação. Estas técnicas desviaram da técnica de prilling no ponto em que a

uréia é pulverizada em grãos, que gradualmente aumenta o tamanho como um

processo contínuo. O calor de solidificação é removido pelo resfriamento a ar ou,

para algumas técnicas de granulação, evaporação da água. Desde que o tempo de

contato entre a uréia líquida e o ar neste processo é muito menor do que no prilling,

a poeira formada no processo de granulação é muito mais grosseira, portanto,

permitindo ser removida muito mais facilmente do ar de resfriamento (ULLMANN,

2005).

Sistemas de granulação por tambor foram desenvolvidos, por exemplo, por C

& I Girdler, Kaltenbach-Thuring, e Montedison. Os processos de granulação Pan

também foram desenvolvidos, por exemplo, pela Norsk Hydro e a Tennessee Valley

Authority (TVA). Mais recentemente técnicas de granulação por leitos de jorro e

leitos fluidizados foram introduzidos. Uma técnica de leito de jorro foi desenvolvida

pela Toyo Engineering Corporation; entretanto, a tecnologia de leito fluidizado da

Hydro Agri parece ser a bem mais sucedida neste momento (ULLMANN, 2005).

Todos os processos de granulação necessitam a adição de formaldeído ou

componentes contendo formaldeído. Também é comum para todas as técnicas de

granulação obter o produto com diâmetros maiores se comparados com o processo

de prilling. Entretanto, suas capacidades a este respeito diferem uns dos outros até

certo ponto (ULLMANN, 2005).

Embora as melhorias provocadas pela granulação estarem acima de qualquer

dúvida, as técnicas de prilling ainda tem um lugar devido ao seu baixo investimento

e baixos custos variáveis associados com o prilling se comparado com a granulação

(ULLMANN, 2005).

Page 94: Fertilizantes nitrogenados

86

3.2 Processo de produção de nitrato de amônio

A rota mais comum para a produção do nitrato de amônio é por meio da

neutralização do ácido nítrico com amônia. Há uma segunda via de produção, mais

utilizada na Europa, onde é feita a reação de nitrato de cálcio com NH3 e CO2.

A partir de amônia e ácido nítrico

A neutralização do ácido nítrico (45 - 65% HNO3) com NH3 gasosa é

acompanhada pela liberação de 100-115 J/mol de NH4NO3 (NITROGEN, 1967),

podendo este calor ser utilizado para evaporar completa ou parcialmente a água.

Neste processo pode-se obter soluções de 95 – 97% de nitrato de amônio,

dependendo da concentração e da pressão do ácido nítrico. Para evitar o

superaquecimento em um determinado local no reator e a decomposição do nitrato

de amônio é necessário que no momento da neutralização os reagentes sejam

misturados completamente e de maneira rápida.

Na Figura 58, tem-se um projeto de um neutralizador (ULLMANN, 2005). A

amônia e o ácido entram na câmara de neutralização, através dos tubos a e b. O

neutralizador é preenchido com solução de nitrato de amônio até a marca A.

Enquanto que a solução ferve vigorosamente no compartimento exterior f, a ebulição

é suprimida no compartimento interno e devido a uma diferença de pressão. A

temperatura do processo pressurizado está em torno de 180ºC. Sendo que o

parâmetro mais importante a ser controlado é o pH, pois assim evita-se a introdução

de cloretos, metais pesados e materiais orgânicos. O material utilizado para a

produção de neutralizadores e evaporadores são ligas de aço inoxidável com Cr-Ni.

Page 95: Fertilizantes nitrogenados

87

Figura 58: Neutralizador (Soc. Belge de l'azote - SBA); A) nível de enchimento; a)

tubo de alimentação de amônia; b) tubo de alimentação de ácido nítrico; c) tubo de

alimentação opcional de vapor; d) do tubo interno; e) compartimento interno; f)

compartimento exterior; g) câmara vapor; h) topo do neutralizador; i) tomada de

vapor; k) Container; l) saída da solução (ULLMANN, 2005)

As diferenças nas plantas comerciais encontram-se na pressão que se aplica

no sistema. A Chemico, utiliza o processo a pressão reduzida, enquanto que o

processo Uhde e o SBA aplicam pressão, sendo caracterizados por utilizar menores

temperaturas e apresentarem menor corrosão. A possibilidade de uso do calor

gerado na neutralização se torna maior quando esta é realizada sob pressão, sendo

esta uma diferença entre os processos (ULLMANN, 2005).

A figura 59, apresenta o processo UCB, onde um trocador de calor no reator

de pressão usa parte do calor de reação para produzir vapor (ULLMANN, 2005).

Amônia e ácido nítrico (52 - 63% HNO3) são pré-aquecidos e pulverizados no

reator. A pressão no reator é de aproximadamente 0.45 MPa, a temperatura é de

170-180ºC, e o pH é 3-5, sendo o pH mantido nesta faixa para controle da proporção

de reagentes.

Page 96: Fertilizantes nitrogenados

88

O trocador de calor resfria a mistura reacional, enquanto que a neutralização

segue estável. A solução de nitrato de amônio deixa o reator com uma concentração

de 75-80%, sendo concentrada por evaporação em um evaporador de filme

descendente até a concentração de 95%.

O pH 3–5, reduz as perdas de nitrogênio para o processo de vaporização. As

condições são ajustadas para que não haja acumulo de vapor durante o processo.

Figura 59: Processo UCB. a) Reator; b) Lavadora; c) Evaporador de filme

descendente (ULLMANN, 2005)

Outro processo pressurizado é o Stamicarbon, apresentado na Figura 60. O

neutralizador é um reator loop que está ligado a um separador. Solução reacional

circula no sistema sem a utilização de bomba, apenas por meio do uso do calor

gerado.

Page 97: Fertilizantes nitrogenados

89

Figura 60: Processo Stamicarbon: a) Neutralizador; b) Tanque intermediário; c)

Surplus steam condenser; d) Purificador de Amônia; e) Condensador; f) Tanque de

solução de amônia diluída; g) Tanque de condensado; h) Resfriador; i) Evaporador;

k) Separador; l) Seal pot; m) tanque de armazenamento de solução de nitrato de

amônio 95% (ULLMANN, 2005)

Ácido nítrico (60% em peso), amônia pré-aquecida, e uma pequena

quantidade de ácido sulfúrico são introduzidos na extremidade inferior do reciclo. O

reator opera a 0.4 MPa e 178ºC. A solução de nitrato de amônio formada no reator

tem uma concentração de 78%. O vapor removido no topo do separador é passado

através de um eliminador de névoa e é usado principalmente para concentrar a

solução de NH4NO3 a 95% em um evaporador a vácuo. O excesso de vapor é

condensado, e a amônia é recuperada a partir do condensado e devolvida ao reator.

Em um segundo evaporador, a concentração pode ser aumentada para 98-99,5%. A

temperatura da solução de nitrato de amônio é mantida abaixo de 180ºC durante

toda neutralização e evaporação.

Page 98: Fertilizantes nitrogenados

90

O processo NSM/Norsk Hydro pressure, representado na Figura 61, usa

amônia pré-aquecida e ácido nítrico.

Figura 61: NSM/Norsk Hydro process; a) Evaporador de amônia/ superaquecedor;

b) Pré-aquecedor do ácido nítrico; c) Caldeira; d) Reator; e) Separador; f) Scrubber;

g) Flash; h) Evaporador; i) Separador; k) Condensador; l) Ejetor; m) Tanque

(ULLMANN, 2005)

A pressão no reator é entre 0,4 e 0.5 MPa, e a temperatura varia de 170-

180ºC, estas condições se aplicam a uma solução 70-80%. Por meio de uma

circulação forçada e um efeito de sifão térmico a solução circula através do reator.

Parte do calor da reação é utilizada para gerar vapor puro, em uma caldeira externa;

alguns vaporizam água no reator, produzindo vapor de processo, que é usado para

concentrar a solução de nitrato de amônio a 95%. As perdas de amônia são

mantidas pequenas lavando o vapor de processo com ácido nítrico que é adicionado

a uma solução de nitrato de amônio em circulação no sistema. Em um evaporador a

vácuo especial é possível obter uma maior concentração da solução de NH4NO3 a

99,5%.

Page 99: Fertilizantes nitrogenados

91

O processo Stengel, que é utilizado largamente no Estados Unidos, produz

diretamente nitrato de amônio anidro (ULLMANN, 2005).

A amônia e o ácido nítrico 58% são pré-aquecido com vapor e alimentados

em um reator de tubo vertical, com uma pressão de 0.35 MPa e a temperatura de

240ºC. A mistura de NH4NO3 e vapor é expandida em um separador centrífugo a

vácuo. Após a decapagem com ar quente, produz-se nitrato de amônio 99,8%

fundido, que é descarregado em uma cinta de aço resfriado, onde solidifica, sendo

posteriormente quebrado ou granulado.

Em todos estes processos a manutenção do pH desejado é o mais

importante. Onde as temperaturas de reação estão abaixo de 170ºC, o pH é mantido

entre 2,4 e 4 para minimizar as perdas de nitrogênio. Em neutralizadores sob

pressão, o pH é mais alto, 4,6 a 5,4, devido à necessidade causada pelas

temperaturas mais elevadas e maior perigo de decomposição.

A partir da conversão de nitrato de cálcio tetra-hidratado

O nitrato de cálcio tetrahidratado, que é um subproduto da produção de

fertilizante nitrofosfato, é tratado com amônia e dióxido de carbono para formar

nitrato de amônio e carbonato de cálcio:

Equação 32: Equação de produção de nitrato de amônio do nitrato de cálcio

O calor da reação é suficiente para evaporar toda a água, porém, um

procedimento direto não é possível por causa do equilíbrio desfavorável a

temperaturas elevadas. No processo BASF, Figura 62, a remoção de calor é

realizada a partir da reação do Ca(NO3)2 com (NH4)2CO3 : NH3 e CO2, que estão

Page 100: Fertilizantes nitrogenados

92

dissolvidos em uma solução de NH4NO3. As duas soluções reagiram a 50ºC, sendo

mínimo o calor produzido.

Figura 62: Processo BASF para conversão do nitrato de calico; a) Torre de

absorção; b) Condensador; c) Solução de NH4NO3 – (NH4)2CO3; d) Solução NH4NO3

suja; e) Vaso de Reação; f) Decantador; g) Filtro de classificação; h) Filtro de correia

(ULLMANN, 2005)

O tamanho dos grãos gerados é influenciado pela maneira que se faz a

introdução dos reagentes. Após a reação a solução de NH4NO3, aproximadamente

65%, é separada do CaCO3 em um filtro de correia e concentrado por evaporação.

Granulação

O nitrato de amônio puro tem um teor de nitrogênio de 35%, enquanto que o

comercializado como fertilizante possui um teor de N de 34,5% ou 33,5%. Ele

geralmente contém aditivos para estabilizar o grão e melhorar as propriedades de

armazenamento.

Page 101: Fertilizantes nitrogenados

93

Vários processos foram desenvolvidos para granulação sendo o Prilling o

preferido para grandes usinas produzindo mais de 1.000 t por dia, enquanto os

outros processos também são adequados para saídas mais baixos, em torno de 250

t por dia (ULLMANN, 2005).

O Prilling começa a partir do derretimento do sal contendo cerca de 0,5% de

água. Torres de pulverização retangulares ou redondas de até 70 m de altura são

usadas. A Figura 63 mostra um diagrama de uma planta prilling de nitrato de

amônio.

Figura 63: Processo ICI com torre prilling; a) Neutralizadores de Nitrato de Amônio;

b) Evaporador de filme descendente; c) Filtro; d) Torre Prilling; e) Peneira

(ULLMANN, 2005)

A solução é pulverizada através de bicos pulverizadores, placas ou

centrífugas perfuradas localizadas no topo da torre. O ar frio é puxado através da

torre contracorrente para remover o calor, acarretando na cristalização. Como as

gotas caem através da torre, solidificam-se em grânulos redondos, que são lançadas

ao pé da torre prilling, sendo posteriormente resfriado.

Não há nenhuma necessidade do granulado ser seco se o nitrato de amônio

99,5% foi derretido e pulverizado. O grão perolizado tem um diâmetro 2-3 mm,

portanto, menor do que da maioria dos outros processos. O tamanho do grão é

Page 102: Fertilizantes nitrogenados

94

afetado, em certa maneira, pela forma do bico, pelas seções de perfuração cruz e da

velocidade de rotação da centrífuga de pulverização, e pela viscosidade do fundido.

O processo de reciclo de sal desenvolvido pela BASF, Figura 64, para

granulação do nitrato de amônio, produz grânulos de 2-4 mm. O processo pode ser

modificado, por exemplo, organizando um tambor rotativo após o parafuso de remo

para melhorar a granulação, através da realização de secagem ou de resfriamento

em um leito fluidizado, ou submetendo o granulado à triagem quente ou fria. (BASF,

1928).

Figura 64: Processos de reciclo de sal; a) parafuso de granulação; b) Tambor de

Secagem; c) Tambor de resfriamento; d) Telas; e) Triturador

Page 103: Fertilizantes nitrogenados

95

3.3 Processo de produção de sulfato de amônio

Atualmente, há quatro rotas para a produção de sulfato de amônio, são elas:

1) utilizando gás gerado na queima do coque;

2) A partir de amônia e ácido sulfúrico;

3) Co-produtos em sínteses orgânicas, tais como a produção de caprolactama;

4) A patir de gesso, amônia, e dióxido de carbono.

A partir do gás gerado na queima do coque

Esta forma de produção de sulfato de amônio vem sendo reduzida

consideravelmente, devido ao fechamento de siderúrgicas e a evolução de seus

processos que estão produzindo menos coque para a formação do sal. (NITROGEN,

1983)

No processo de direto os gases impuros do forno são introduzidos em ácido

sulfúrico para produzir sulfato de amônio, que fica contaminado por produtos

coloridos. No processo indireto a amônia é levada para fora do gás de alto forno com

água, lançado com uma suspensão de cal, e finalmente introduzido em ácido

sulfúrico.

A partir de amônia e ácido sulfúrico

O calor da reação entre amônia e ácido sulfúrico é suficiente para evaporar

toda a água, se uma concentração de ácido de 70% ou mais for usada.

Page 104: Fertilizantes nitrogenados

96

Equação 33: Equação de produção de sulfato de amônio

Atualmente, a reação é realizada em saturadores, que são dispositivos

derivados dos cristalizadores por evaporação comumente utilizada anteriormente

(ULLMANN, 2005).

No processo de saturação, Figura 65, neutralização e cristalização são

realizadas em só um aparelho. O ácido sulfúrico é entregue para o lado de sucção e

o amoníaco para o lado da pressão da bomba de circulação forçada. A cristalização

da solução metaestável dá tamanhos de partículas, geralmente, entre 0,5 mm e 3

mm. O sal é continuamente descarregado na extremidade inferior do saturador,

sendo posteriormente separado em centrífugas, secos, e resfriado, e o licor mãe é

devolvido ao saturador. As impurezas no ácido sulfúrico podem afetar

negativamente a cristalização, logo pequenas quantidades de ácido fosfórico, uréia,

ou sais inorgânicos são adicionados para promover o crescimento de cristal.

Page 105: Fertilizantes nitrogenados

97

Figura 65: Saturador de sulfato de amônio; a) centrífuga; b) tanque de licor mãe

Como um co-produto em sínteses orgânicas

O sulfato de amônio é um co-produto na produção de fibras sintéticas, tais

como caprolactama, acrilonitrila, metacrilato de metila, e na produção de ácido

fórmico e acrilamida. A fonte mais importante é a produção de caprolactama, que é

necessário para nylon 6. O processo de caprolactama convencional produz 2,5-4,5 t

de sulfato de amônio por tonelada de lactâmicos. Onde 0,3-2,8 t é formado no

estágio oximação e cerca de 1,7 t na fase de rearranjo de Beckmann. Cristalizadores

são usados na evaporação de soluções de sulfato de amônio que resultam da

produção da caprolactama. Os processos desenvolvidos pela BASF, Inventa, Toray

Industries, Snia Viscosa, Techni-Chem, Kanebo, e DSM reduziram a 2,5-4,5 t, em

alguns casos, para 1,7-1,8 t por tonelada de lactâmicos (ULLMANN, 2005).

Page 106: Fertilizantes nitrogenados

98

A partir de gesso

Utiliza-se, a anidrita e gipsita que reagem com NH3 e CO2:

Equação 34: Produção do sulfato de amônio a partir do gesso

O processo desenvolvido pela BASF durante a Primeira Guerra Mundial

mantém-se importante onde há escassez de ácido sulfúrico, como na Índia,

Paquistão e Turquia.

O gesso finamente moído é reagido com uma solução de carbonato de

amônio em uma cascata de vasos agitados. O tempo de permanência é de várias

horas. A mistura reacional de carbonato de cálcio e solução de sulfato de amônio é

filtrada em filtros rotativos a vácuo. A solução de sulfato de amônio, ligeiramente

turva, é filtrada em filtros prensa, acidificada com H2SO4, e processada em

cristalizadores de evaporação de vários estágios para formar uma granulação

grossa de sulfato de amônio.

Granulação e armazenamento

Cristalizadores típicos geralmente produzem um grão de 0,5 a 3 mm, que

pode ser seco para um teor de água inferior a 0,1%. O teor de ácido livre não deve

exceder 0,03%, e o teor de N não deve ser inferior a 21%. Os grãos são protegidos

contra quebra, geralmente por pequenas quantidades (0,1%) de surfactantes, e são

armazenados.

Page 107: Fertilizantes nitrogenados

99

Geralmente o sulfato de amônio utilizado em misturas de fertilizantes é

granulado. Podendo ser obtido através de compactação, granulação pan, ou

utilizando o TVA Ammoniator Granulador. Melhorias na granulação podem ser

obtidas através da adição de aditivos, como por exemplo, sal de cálcio. Pode-se

citar, a granulação mista de soluções concentradas de uréia e cristais de sulfato de

amônio, em um granulador pan, dá um granulado duro de elevado teor de nitrogênio

(30 - 43% N) adequado para a mistura em massa (ULLMANN, 2005).

Page 108: Fertilizantes nitrogenados

100

3.4 Processo de produção de MAP e DAP

Por um longo tempo, fertilizantes sólidos de fosfato de amônio foram

produzidos apenas em forma granular em uma neutralização integrada ao processo

de granulação. Este ainda é o caso do DAP, mas desde meados dos anos 1960, a

capacidade de produção considerável era de MAP em pó (ULLMANN, 2005).

Fosfato de monoamônio, MAP

Os processos utilizados para a produção de pó de MAP (tamanho de partícula

0,1-1,5 mm) são relativamente simples. Todos os processos são estruturados para

dar bom armazenamento, manuseio e propriedades de granulação, quando utilizado

para a fabricação do MAP, DAP, ou outros fertilizantes NP / NPK.

No processo PhoSAI da Scottish Agricultural Industries, Figura 65, a amônia

reage com ácido fosfórico (concentração mínima de 42% P2O5) em um reator de

tanque agitado (d) para produzir uma pasta com uma relação N / P de 1,4 (ponto de

solubilidade máxima), sob pressão atmosférica. A pasta flui para um misturador

pinos (e) em que a relação N / P volta para cerca de 1,0 pela adição de mais ácido

fosfórico concentrado. Durante esta etapa, a solubilidade diminui e mais água

evapora devido ao calor de reação e cristalização. Um produto sólido é formado, e

que normalmente contém 6 - 8% de umidade. Este é revestido (f) e as partículas

grandes são moídas, após o qual o produto pode ser armazenado sem trituração

adicional (ULLMANN, 2005).

Page 109: Fertilizantes nitrogenados

101

Figura 66: Processo PhoSAI para produção de grãos de MAP ; a) Fan; b)

Separador; c) Lavadora de gases; d) Reator; e) Pin mixer; f) Tela; g) Oversize

crusher

No processo Minifos da Fisons (agora Fertilizantes Hydro), ver Figura 67,

amônia e o ácido fosfórico (45 - 54% P2O5) reagem, em (b) a 0,21 MPa para dar

uma relação N / P de 1. O produto líquido é pulverizado por expansão em uma torre

de sopro natural (c), onde as gotículas solidificam para formar um pó com 6-8% de

umidade residual (ULLMANN, 2005).

Figura 67: Processo Hydro Minifos para MAP; a) Evaporador de amônia; b) Reator

pressurizado; c) Torre Spray

Page 110: Fertilizantes nitrogenados

102

Processos alternativos com base na utilização de um reator de tubo em vez

de um reator tanque foram desenvolvidos por Gardinier SA, Swift Agricultural &

Chemical Corporation, e ERT – Espindesa. A umidade do produto relatada é de 2%,

o que resulta em menos aglomeração (ULLMANN, 2005).

Plantas mais recentes para produção de MAP em pó são baseadas no uso de

reatores de tubo (incluindo os concebidos por Fertilizantes Hydro). Quantidades

consideráveis de pó MAP são produzidas a partir de "ácidos de lodo" da clarificação

de ácido fosfórico com teor de sólidos até 20%.

Fosfato de diamônio, DAP

Com base nos resultados favoráveis obtidos com um reator de tubo para

fabricação de MAP, a ERT - Espindesa experimentou para a produção de DAP, ver

Figura 68. O DAP tem uma solubilidade alta em água e em citrato com elevado teor

de P2O5, provavelmente devido ao curto tempo de residência no reator, que não

produz os sais insolúveis que são normalmente formados em plantas de longo

tempo de retenção. O mesmo efeito foi observado com MAP formado em um reator

de tubo.

Page 111: Fertilizantes nitrogenados

103

Figura 68: ERT – Processo Espindesa para DAP; a) Vaso tampão; b) Lavadora; c)

Reator tubular; d)Torre DAP; e) Discharge scraper; f) Fan

MAP e DAP granular

O ácido fosfórico e amônia reagem em dois ou três vasos em série à pressão

atmosférica em condições que se aproveitam de solubilidade e as propriedades de

pressão de vapor.

Inicialmente, três vasos reatores eram utilizados. A neutralização para MAP é

realizada no primeiro. No segundo, mais amônia é injetado até cerca de 80%, e o

DAP é formado. A amonização final ocorreu no terceiro reator, mas foi mais tarde

realizado no blunger (pugmill) do circuito de granulação. Devido à baixa solubilidade

do DAP o processo deve ser executado com um alto teor de água para manter a

fluidez. Altos índices de reciclagem também são necessários para evitar o excesso

de granulação na blunger, e para dar um granulado úmido contendo 4-6% de água.

Tipicamente, esses índices de reciclagem são entre 11: 1 e 8: 1, dependendo de

onde a amonização final ocorre. Os grânulos são secos em um secador rotativo. Os

grânulos menores e partículas quebradas são reciclados. O resfriamento do produto

Page 112: Fertilizantes nitrogenados

104

(de tamanho 1,5-3 mm) não é essencial, mas é recomendado para minimizar a

perda de amônia e garantir uma boa estabilidade no armazenamento.

A redução da razão de reciclagem (por exemplo, para 4:1) é alcançada

através da realização de pré-neutralização a uma relação N / P de 1,4 em um reator

de pressão operando em uma sobre pressão 0,1 MPa, assim que o ponto de

ebulição da mistura de reação é elevada por 20ºC em comparação com a operação

à pressão atmosférica, ver Figura 69. Assim, a dependência da temperatura

acentuada da solubilidade do fosfato de amônio em água permite a operação em um

menor teor de água, mantendo o fosfato de amônio em solução. A quantidade de

água alimentada para o granulador é, portanto, minimizado (ULLMANN, 2005).

Figura 69: Processo de granulação de DAP da Hydro Fertilizers, com reator

pressurizado. a) Tail-gas scrubber; b) Ammonia scrubber; c) Bag filter; d) Reator

Pressurizado; e) Granulador; f) Dryer; g) Ciclone; h) Screens; i) Crusher; j) Fluidized-

bed cooler; k), l) Surge tanks

Page 113: Fertilizantes nitrogenados

105

Em uma tentativa de simplificar ainda mais as plantas DAP e reduzir a taxa de

reciclo a TVA, CROS SA, e ERT - Espindesa veêm tentando usar reatores tubulares

diretamente liberando o resíduo no granulador rotativo, em vez de aplicar um tanque

de pré-neutralização (ULLMANN, 2005).

CROS e ERT - Espindesa em seus relatórios de operação demonstram estar

sendo bem sucedidas, mas experiências em várias plantas EUA foram

decepcionantes por causa da elevada entrada de calor no granulador (ULLMANN,

2005).

CdF - Chimie AZF originalmente tinha a mesma experiência, mas conseguiu

através da introdução de um segundo reator de tubo a pulverização no secador, ver

Figura 70 (ULLMANN, 2005).

Figura 70: Processo da AZF com dois reatores tubulares para granulação de DAP;

a, b) reatores tubulares; c) Granulador; d) Secador - resfriador; e) Tela; f) Moinho

Cerca de metade do ácido fosfórico é alimentada a um reator de tubo (a) que

opera em N / P = 1,4 e lança seu produto no granulador (c). O ácido restante é

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106

alimentado em um segundo reator de tubo (b) em N / P = 1,1, que é lançado na

forma de spray no secador (d). Amônia extra é introduzida por baixo do leito.

O reator de tubo (b) no secador produz pó MAP. Parte deste é levado para o

ciclones do loop de despoeiramento, o restante cristaliza no produto DAP.

A relação de reciclagem deste processo é menor do que com um pré-

neutralizador convencional; e o consumo de combustível do secador também é

reduzido.

O MAP granulado é produzido nos mesmos tipos de plantas que o DAP. O

processo mais comum é o TVA, com um pré-neutralizador e de tambor rotativo de

amonização, ver Figura 71. Pré-neutralizador é operado a uma relação N / P de 0,6,

um ponto de alta solubilidade, e mais amônia é adicionada no granulador para

aumentar a razão molar de 1,0.

Figura 71: Processo TVA para granulação de DAP; a) Lavadora; b) Pré-

neutralizador; c) Surge; d) Granulador; e) Secador; f) Telas; g) Esmagador; h)

Refrigerador ; i) Ciclone; j) Fan

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107

Em contraste com a produção de DAP, a recuperação de amônia por lavagem

ácida não é necessária, mas todos os gases são limpos para recuperar poeiras e

cinzas. Plantas granuladoras de MAP podem ser mais simples, mas a maioria das

unidades é projetada de modo que ambos os produtos podem ser feitos na mesma

planta.

Os processos com reatores tubulares têm sido muito bem sucedidos na

produção de MAP. Eles operam com uma perda de amônia muito leve, e pouco ou

nenhum calor adicional é necessário para a secagem. Em algumas plantas, pré-

neutralizadores foram substituídos por reatores de tubos (ULLMANN, 2005).

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108

4. Conclusão

O Brasil apresenta uma forte dependência no uso de fertilizantes, porém com

uma relação desproporcional entre a venda e produção destes no país, o que

acarreta em uma forte demanda por importações. Os fertilizantes apresentam um

déficit, que se aproxima de 25% de todo o déficit do setor químico no país, uma

quantia de aproximadamente US$ 8 bilhões/ano.

A expansão da produção de fertilizantes é uma alternativa para obtenção do

equilíbrio da balança comercial, buscando uma diminuição das importações, contudo

os fatores determinantes para a viabilidade do projeto devem ser avaliados

(localização, garantia de fornecimento e o preço do gás natural). Por meio da análise

destes fatores empresas, como por exemplo, a Petrobras e Fosfértil, estão buscando

implantar novos projetos para produção de fertilizantes básicos.

No âmbito das tecnologias de produção de fertilizantes e insumos básicos,

constata-se que as tecnologias estão bem desenvolvidas restando apenas

aperfeiçoamentos e otimizações de processos.

Page 117: Fertilizantes nitrogenados

109

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