低压下的氨合成

本实验的总体目标是利用空气、水和风能，在低压条件下通过几乎不产生二氧化碳排放的过程合成氨。该方法有助于解决氨生产中的关键问题，如反应效率、产物分布以及二氧化碳排放。该工艺采用固体氨选择性吸附剂，而非冷凝器。

持续从系统中移除氨可减少逆向化学反应的发生。该工艺的主要优势在于其可在较低压力下进行，因而更安全且成本更低。Cory Marquart 和我运营着一座采用传统工艺的装置，其规模比典型工厂小 30,000 倍。

这为与吸收过程的比较提供了标准。Mike Reese 和 Cory Marquart 正在明尼苏达州莫里斯操作传统的中试规模装置。吸收法工艺的示范将由本实验室的博士后研究员 Mahdi Malmali 进行。

开始操作前，先启动氨气发生装置，并将催化反应器升温至440摄氏度。将冷凝器温度设定为零下18摄氏度。接着，开启空气干燥器、空气压缩机和氮气发生器。

打开氮气增压泵以填充氮气储罐。开启冷水机、去离子水装置、电解槽和氢气增压泵。确认冷水机已正常运行，冷却液正在循环流动。

接下来将氮气入口调压器设置为 300 PSI。打开氮气阀门，开始对工艺撬块进行加压。当撬块压力达到 300 PSI 时，关闭氮气旁通阀。

然后，将氢气入口调压器设置为1,200 PSI，并打开氢气阀门。当橇装系统压力达到1,200 PSI后，关闭氢气阀门。启动橇装系统，使氮气与氢气按1:3比例的混合气体在系统中循环。

过程结束后，将浓缩的氨气在 150 PSI 条件下储存。准备反应器时，使用研钵和研杵将催化剂颗粒研磨至粒径小于 1 毫米。将研磨后的催化剂填装入 0.25 英寸的管路中。

制备吸收剂时，将80克氯化钙或等量的其他选择性氨吸收剂填充至一根长30厘米、内径为2.3厘米的柱子中。用足够的支撑材料堵住柱子两端，以固定吸收剂。将吸收器与反应器安装到实验装置中。

使用推荐的活化温度程序，将反应器加热至 450 摄氏度，同时以 500 SCCM 的流速向反应器中通入氢气，完成催化剂的活化。系统闲置时，将活化后的催化剂置于超纯氮气保护氛围中。开始氨气生成过程时，关闭出口阀，将反应器升温至 400 摄氏度，吸收器升温至 180 摄氏度。

用超高纯氮气反复对系统加压和排气，以冲洗系统。然后，使用氮气与氢气按1:3比例的混合气体对系统加压。停止氮气和氢气的质量流量控制器。

关闭反应器入口阀。打开反应器出口阀并启动循环泵。反应开始后，监测反应器和吸收器的温度，并根据需要进行调节，以补偿放热过程。

运行该过程五小时，或直至吸收剂开始穿透，表现为系统压力随时间变化的幅度减小。打开氮气进气阀和氨气出气阀，将系统压力降至常压。以100 SCCM的流速通入氮气，同时加热吸收剂五小时，以释放其中的氨气。

传统方法中使用的高压条件对于促进高温下的正向反应是必要的。在低压分离方法中，氨在发生逆反应之前被更彻底地分离。与传统方法相比，转化速率显著提高。

分离方法的初始反应速率与已发表的数值以及独立的化学动力学实验结果一致。在反应吸收法中，初始反应速率随温度变化而变化。总体反应速率对温度的依赖性显著降低，表明在分离方法中，催化反应速率并非转化速率的主要限制因素。

该吸附剂能有效去除系统中的氨，但吸附柱的容量在每次循环后均有所下降。目前正开展研究以延长吸附剂柱的使用寿命。氨生成过程中，吸附动力学未被发现是显著的限制因素。

循环流速与反应速率呈正相关，表明其为该过程的主要控制步骤。该过程可利用空气、水和风能生产氨。其中，空气和水分别通过变压吸附和电解反应提供氮和氢。

该过程的能量来自风能。哈伯-博施法（Haber-Bosch process）是一项已有百年历史的反应，为全球大量人口提供粮食。改进这一工艺具有高风险，但也可能带来高回报。

我们开展此项工作的初衷是提高明尼苏达州农村家庭农场在氮肥使用上的自给自足能力。通过将风能以液氨形式储存，为能源短缺的城市提供燃料，这一益处则是意外收获。基于吸收的工艺关键在于开发一种稳定且可重复使用的吸收剂，能够在其生成过程中高效捕获氨。

通过用吸附床替代传统的冷凝器，我们正朝着更适合小规模生产的低成本、更安全的氨气制备工艺迈进。