توليف الأمونيا في الضغط المنخفض

الهدف العام من هذا الإجراء هو إنتاج الأمونيا من الهواء والماء والطاقة المولدة من الرياح في عملية ضغط منخفض مع انبعاثات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في معالجة المشكلات الرئيسية في إنتاج الأمونيا مثل كفاءة التفاعل وتوزيع المنتج وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تستخدم العملية مادة ماصة صلبة مختارة من الأمونيا بدلا من مكثف.

إزالة الأمونيا باستمرار من النظام إلى تقليل حدوث التفاعل الكيميائي العكسي. الميزة الرئيسية لهذه العملية هي أنه يمكن إجراؤها عند ضغط منخفض وهو أكثر أمانا وأقل تكلفة. أدير أنا وكوري ماركوارت مصنعا للعملية التقليدية أصغر بمقدار 30،000 مرة من النباتات النموذجية.

هذا يعطي معيارا للمقارنة مع عملية الامتصاص. يقوم مايك ريس وكوري ماركوارت بتشغيل المصنع التقليدي الصغير الحجم في موريس بولاية مينيسوتا. سيظهر العملية القائمة على الامتصاص مهدي مالمالي ، زميل ما بعد الدكتوراه التابع لمختبرنا.

قبل البدء في العملية ، ابدأ تشغيل مصنع توليد الأمونيا وقم بتكثيف المفاعل الحفاز إلى 440 درجة مئوية. اضبط درجة حرارة المكثف على 18 درجة مئوية تحت الصفر. بعد ذلك ، قم بتشغيل مجفف الهواء وضاغط الهواء ومولد النيتروجين.

قم بتشغيل معزز غاز النيتروجين لملء خزانات إمداد النيتروجين. قم بتشغيل المبرد ووحدة إزالة أيونات الماء والمحلل الكهربائي ومعزز غاز الهيدروجين. تحقق من أن المبرد يعمل وأن سائل التبريد يتدفق من خلاله.

بعد ذلك ، اضبط منظم مدخل النيتروجين على 300 رطل لكل بوصة مربعة. افتح صمام النيتروجين لبدء الضغط على انزلاق العملية. أغلق صمام تجاوز النيتروجين عندما يصل الانزلاق إلى 300 رطل لكل بوصة مربعة.

بعد ذلك ، اضبط منظم مدخل الهيدروجين على 1 ، 200 رطل لكل بوصة مربعة وافتح صمام الهيدروجين. بمجرد أن يصل الانزلاق إلى 1 ، 200 رطل لكل بوصة مربعة ، أغلق صمام الهيدروجين. ابدأ الانزلاق لبدء تدوير خليط غاز النيتروجين إلى الهيدروجين من واحد إلى ثلاثة عبر النظام.

بعد انتهاء العملية ، قم بتخزين الأمونيا المكثفة عند 150 رطل لكل بوصة مربعة. لتحضير المفاعل ، استخدم الهاون والمدقة لطحن جزيئات المحفز إلى أقل من ملليمتر واحد في الحجم. قم بتعبئة المحفز الأرضي في أنبوب 0.25 بوصة.

لتحضير الممتص ، قم بتعبئة 80 جراما من كلوريد الكالسيوم أو كمية مكافئة من مادة ماصة انتقائية أخرى للأمونيا في عمود طوله 30 سم بقطر داخلي يبلغ 2.3 سم. قم بتوصيل نهايات العمود بمواد دعم تعبئة كافية لتثبيت المادة الماصة. قم بتثبيت الممتص والمفاعل في الجهاز التجريبي.

قم بتسخين المفاعل إلى 450 درجة مئوية باستخدام إجراء درجة حرارة التنشيط الموصى به أثناء تدفق الهيدروجين عبر المفاعل عند 500 SCCM لإنهاء تنشيط المحفز. احتفظ بالمحفز المنشط تحت غطاء من غاز النيتروجين فائق النقاء عندما يكون النظام في وضع الخمول. لبدء عملية توليد الأمونيا ، أغلق صمام المخرج وقم بتحديد المفاعل إلى 400 درجة مئوية وجهاز الامتصاص إلى 180 درجة مئوية.

اغسل النظام بغاز النيتروجين فائق النقاء عن طريق الضغط على النظام وتنفيسه بشكل متكرر. بعد ذلك ، قم بالضغط على النظام بمزيج من واحد إلى ثلاثة من غازات النيتروجين والهيدروجين. أوقف وحدات التحكم في تدفق كتلة النيتروجين والهيدروجين.

أغلق صمام مدخل المفاعل. افتح صمام مخرج المفاعل وابدأ تشغيل مضخة إعادة التدوير. راقب درجات حرارة المفاعل والامتصاص عند بدء التفاعل واضبطها حسب الضرورة للتعويض عن العمليات الطاردة للحرارة.

قم بتشغيل العملية لمدة خمس ساعات أو حتى يبدأ الممتص في الاختراق كما هو موضح من خلال انخفاض في التغير في ضغط النظام بمرور الوقت. افتح صمام مدخل النيتروجين وصمام مخرج الأمونيا وقلل النظام إلى الضغط الجوي. قم بتدفق النيتروجين عبر النظام عند 100 SCCM أثناء تسخين الممتص لمدة خمس ساعات لتحرير الأمونيا.

الضغوط العالية المستخدمة في الطريقة التقليدية ضرورية لصالح التفاعل الأمامي في درجات الحرارة العالية. في طريقة فصل الضغط المنخفض ، يتم فصل الأمونيا بشكل كامل قبل أن تخضع للتفاعل العكسي. لوحظت زيادة كبيرة في معدل التحويل مقارنة بالطريقة التقليدية.

كانت معدلات التفاعل الأولية لطريقة الفصل متوافقة مع القيم المنشورة وتجارب الحركية الكيميائية المنفصلة. لوحظ تباين في درجة الحرارة في معدلات التفاعل الأولية لطريقة امتصاص التفاعل. أظهر معدل التفاعل الكلي اعتمادا أقل بكثير على درجة الحرارة مما يشير إلى أن معدل التفاعل التحفيزي ليس عاملا محددا رئيسيا لمعدل التحويل في طريقة الفصل.

أزال المادة الماصة الأمونيا بكفاءة من النظام ، لكن سعة العمود انخفضت بعد كل دورة. يجري التحقيق في إطالة عمر العمود الماص. لم يتم العثور على حركية الامتصاص لتكون عاملا مقيدا بشكل كبير لإنتاج الأمونيا.

تم العثور على معدل تدفق إعادة التدوير ليرتبط بمعدل التفاعل مما يشير إلى أنه خطوة التحكم الأساسية للعملية. يمكن لهذه العملية أن تصنع الأمونيا من الهواء والماء والرياح. الهواء والماء هما مصدران للنيتروجين والهيدروجين عن طريق امتصاص الضغط المتأرجح والتحليل الكهربائي على التوالي.

تأتي الطاقة اللازمة للعملية من الرياح. إن عملية هابر-بوش هي رد فعل عمره قرن من الزمان يغذي جزءا كبيرا من سكان العالم. محاولة تحسينه تنطوي على مخاطر عالية وربما مكافأة عالية.

كانت فكرتنا الأصلية لهذا العمل هي جعل المزارع العائلية في ريف مينيسوتا أكثر اكتفاء ذاتيا للأسمدة النيتروجينية. كان الوعد بالوقود للمدن التي تعاني من نقص الطاقة من خلال تخزين الطاقة القائمة على الرياح كأمونيا سائلة مكسبا غير متوقع. مفتاح العملية القائمة على الامتصاص هو تطوير مادة ماصة مستقرة قابلة لإعادة الاستخدام تحبس الأمونيا بكفاءة أثناء إنتاجها.

من خلال استبدال المكثف التقليدي بطبقة ماصة ، نحن أقرب إلى عملية توليد الأمونيا الأرخص والأكثر أمانا والمناسبة للتصنيع على نطاق صغير.