توليف الأمونيا في الضغط المنخفض

الهدف العام من هذا الإجراء هو إنتاج الأمونيا من الهواء والماء والطاقة المولدة من الرياح عبر عملية منخفضة الضغط مع انبعاثات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون. يمكن لهذه الطريقة أن تساعد في معالجة القضايا الرئيسية في إنتاج الأمونيا مثل كفاءة التفاعل وتوزيع المنتج وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وتستخدم هذه العملية ممتصاً صلباً مختاراً للأمونيا بدلاً من المكثف.

يؤدي الإزالة المستمرة للأمونيا من النظام إلى تقليل حدوث التفاعل الكيميائي العكسي. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه العملية في إمكانية تنفيذها عند ضغط منخفض، مما يجعلها أكثر أماناً وأقل تكلفة. وأقوم أنا وكوري ماركوارث بتشغيل مصنع للعملية التقليدية وهو أصغر بـ 30,000 مرة من المصانع النموذجية.

يوفر هذا معياراً للمقارنة مع عملية الامتصاص. يقوم مايك ريس وكوري ماركوار بتشغيل المحطة التقليدية صغيرة النطاق في موريس، مينيسوتا. وسيقوم مهدي ململي، وهو زميل ما بعد الدكتوراه تابع لمختبرنا، بشرح العملية القائمة على الامتصاص.

قبل البدء في العملية، قم بتشغيل محطة توليد الأمونيا وارفع درجة حرارة المفاعل الحفزي إلى 440 °C. اضبط درجة حرارة المكثف على -18 °C. 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 PSI. افتح صمام النيتروجين لبدء ضغط وحدة المعالجة. أغلق صمام تحويل النيتروجين عندما تصل وحدة المعالجة إلى 300 PSI.

بعد ذلك، اضبط منظم مدخل الهيدروجين على 1, 200 PSI وافتح صمام الهيدروجين. وبمجرد أن تصل منصة التشغيل إلى 1, 200 PSI، أغلق صمام الهيدروجين. ابدأ تشغيل منصة التشغيل لبدء تدوير خليط غاز النيتروجين إلى الهيدروجين بنسبة واحد إلى ثلاثة عبر النظام.

بعد انتهاء العملية، تُخزن الأمونيا المكثفة تحت ضغط 150 PSI. ولتجهيز المفاعل، استخدم الهاون والمدقة لطحن جزيئات الحفاز حتى يصبح حجمها أقل من 1 ملم. ثم قم بتعبئة الحفاز المطحون في أنابيب قطرها 0.25 بوصة.

لتحضير الممتص، قم بتعبئة 80 grams من كلوريد الكالسيوم أو كمية مكافئة من مادة ممتصة أخرى انتقائية للأمونيا في عمود بطول 30 centimeters وقطر داخلي يبلغ 2.3 centimeters. سد طرفي العمود بمادة دعم تعبئة كافية لتثبيت المادة الممتصة. قم بتركيب الممتص والمفاعل في الجهاز التجريبي.

سخن المفاعل إلى 450 degrees Celsius باستخدام إجراء درجة حرارة التنشيط الموصى به مع تدفق الهيدروجين عبر المفاعل بمعدل 500 SCCM لإتمام تنشيط العامل الحفاز. حافظ على العامل الحفاز المنشط تحت غطاء من غاز النيتروجين فائق النقاء عندما يكون النظام في وضع الخمول. لبدء عملية توليد الأمونيا، أغلق صمام المخرج وارفع درجة حرارة المفاعل إلى 400 degrees Celsius ودرجة حرارة الممتص إلى 180 degrees Celsius.

قم بتطهير النظام باستخدام غاز النيتروجين عالي النقاء عن طريق ضغط النظام وتفريغه بشكل متكرر. بعد ذلك، قم بضغط النظام بمزيج بنسبة واحد إلى ثلاثة من غازي النيتروجين والهيدروجين. ثم أوقف عمل وحدات التحكم في تدفق كتلة النيتروجين والهيدروجين.

أغلق صمام مدخل المفاعل. افتح صمام مخرج المفاعل وقم بتشغيل مضخة إعادة التدوير. راقب درجات حرارة المفاعل والممتص عند بدء التفاعل، واضبطها حسب الضرورة للتعويض عن العمليات الطاردة للحرارة.

قم بتشغيل العملية لمدة خمس ساعات أو حتى يبدأ الممتص في الوصول إلى نقطة الاختراق، وهو ما يُستدل عليه من خلال انخفاض التغير في ضغط النظام بمرور الوقت. افتح صمام دخول النيتروجين وصمام خروج الأمونيا وقم بخفض ضغط النظام إلى الضغط الجوي. مرر النيتروجين عبر النظام بمعدل 100 SCCM مع تسخين الممتص لمدة خمس ساعات لتحرير الأمونيا.

تعد الضغوط العالية المستخدمة في الطريقة التقليدية ضرورية لتحفيز التفاعل الأمامي عند درجات الحرارة المرتفعة. أما في طريقة الفصل ذات الضغط المنخفض، فيتم فصل الأمونيا بشكل أكثر اكتمالاً قبل أن يحدث التفاعل العكسي. وقد لوحظت زيادة ملحوظة في معدل التحويل مقارنة بالطريقة التقليدية.

كانت معدلات التفاعل الأولية لطريقة الفصل متوافقة مع القيم المنشورة وتجارب الحركية الكيميائية المنفصلة. ولوحظ تباين في درجات الحرارة ضمن معدلات التفاعل الأولية لطريقة امتصاص التفاعل. كما أظهر معدل التفاعل الإجمالي اعتماداً أقل بكثير على درجة الحرارة، مما يشير إلى أن معدل التفاعل الحفزي لا يشكل عاملاً محدداً رئيسياً لمعدل التحويل في طريقة الفصل.

قام الممتص بإزالة الأمونيا من النظام بكفاءة، ولكن سعة العمود انخفضت بعد كل دورة. وتجري حالياً أبحاث لدراسة سبل إطالة عمر عمود الامتصاص. ولم يتبين أن حركية الامتصاص تشكل عاملاً محدداً بشكل كبير لإنتاج الأمونيا.

وُجد أن معدل تدفق إعادة التدوير يرتبط بمعدل التفاعل، مما يشير إلى أنه الخطوة التحكمية الأساسية للعملية. يمكن لهذه العملية إنتاج الأمونيا من الهواء والماء والرياح. ويعد الهواء والماء مصدرين للنيتروجين والهيدروجين عن طريق الامتزاز بالضغط المتأرجح والتحليل الكهربائي على التوالي.

تأتي الطاقة اللازمة لهذه العملية من الرياح. وتعد عملية هابر-بوش تفاعلاً يعود تاريخه إلى قرن من الزمان، وهو الذي يوفر الغذاء لجزء كبير من سكان العالم. لذا، فإن محاولة تحسين هذه العملية تنطوي على مخاطرة عالية، ولكنها قد تحقق مكاسب كبيرة في المقابل.

كانت فكرتنا الأصلية لهذا العمل هي جعل المزارع العائلية في ريف مينيسوتا أكثر اكتفاءً ذاتياً فيما يتعلق بأسمدة النيتروجين. أما الوعد بتوفير وقود للمدن التي تعاني من نقص الطاقة عن طريق تخزين الطاقة الناتجة عن الرياح في شكل أمونيا سائلة فقد كان مكسباً غير متوقع. ويكمن المفتاح في العملية القائمة على الامتصاص في تطوير مادة ممتصة مستقرة وقابلة لإعادة الاستخدام تقوم باحتجاز الأمونيا بكفاءة أثناء إنتاجها.

من خلال استبدال المكثف التقليدي بسرير امتصاص، فإننا نقترب من عملية توليد أمونيا أرخص وأكثر أماناً ومناسبة للتصنيع على نطاق صغير.