Ammoniaksynthese bei niedrigem Druck

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Ammoniak aus Luft, Wasser und Windenergie in einem Niederdruckverfahren mit vernachlässigbaren Kohlendioxidemissionen herzustellen. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Probleme bei der Ammoniakproduktion zu lösen, wie z. B. Reaktionseffizienz, Produktverteilung und Kohlendioxidemissionen. Bei dem Verfahren wird anstelle eines Kondensators ein festes, mit Ammoniak ausgewähltes Absorptionsmittel verwendet.

Durch die kontinuierliche Entfernung von Ammoniak aus dem System wird das Auftreten der umgekehrten chemischen Reaktion verringert. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es mit niedrigerem Druck durchgeführt werden kann, was sicherer und kostengünstiger ist. Cory Marquart und ich betreiben eine Anlage für das konventionelle Verfahren, die 30.000 Mal kleiner ist als typische Pflanzen.

Dies ergibt einen Standard für den Vergleich mit dem Absorptionsprozess. Mike Reese und Cory Marquart betreiben die konventionelle Kleinanlage in Morris, Minnesota. Der absorptionsbasierte Prozess wird von Mahdi Malmali, einem Postdoktoranden, der mit unserem Labor verbunden ist, demonstriert.

Bevor Sie mit dem Prozess beginnen, nehmen Sie die Ammoniakerzeugungsanlage in Betrieb und fahren Sie den katalytischen Reaktor auf 440 Grad Celsius hoch. Stellen Sie die Kondensatortemperatur auf minus 18 Grad Celsius ein. Schalten Sie anschließend den Lufttrockner, den Luftkompressor und den Stickstoffgenerator ein.

Schalten Sie den Stickstoffgas-Booster ein, um die Stickstoffvorratstanks zu füllen. Schalten Sie den Kühler, die Wasserentsalzungseinheit, den Elektrolyseur und den Wasserstoffgasverstärker ein. Stellen Sie sicher, dass der Kühler betriebsbereit ist und Kühlflüssigkeit fließt.

Stellen Sie als Nächstes den Stickstoffeinlassregler auf 300 PSI ein. Öffnen Sie das Stickstoffventil, um den Prozessschlitten unter Druck zu setzen. Schließen Sie das Stickstoff-Bypass-Ventil, wenn der Schlitten 300 PSI erreicht.

Stellen Sie dann den Wasserstoffeinlassregler auf 1.200 PSI ein und öffnen Sie das Wasserstoffventil. Sobald der Schlitten 1.200 PSI erreicht, schließen Sie das Wasserstoffventil. Starten Sie den Skid, um das Ein- bis Drei-Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch durch das System zu leiten.

Lagern Sie das kondensierte Ammoniak nach Beendigung des Prozesses bei 150 PSI. Um den Reaktor vorzubereiten, verwenden Sie einen Mörser und einen Stößel, um die Katalysatorpartikel auf eine Größe von weniger als einem Millimeter zu zerkleinern. Packen Sie den gemahlenen Katalysator in einen 0,25-Zoll-Schlauch.

Um den Absorber vorzubereiten, packen Sie 80 Gramm Calciumchlorid oder eine entsprechende Menge eines anderen ammoniakselektiven Absorptionsmittels in eine 30-Zentimeter-Säule mit einem Innendurchmesser von 2,3 Zentimetern. Verstopfen Sie die Enden der Säule mit ausreichend Packungsstützmaterial, um das Absorptionsmittel zu fixieren. Den Absorber und den Reaktor in die Versuchsapparatur einbauen.

Erhitzen Sie den Reaktor auf 450 Grad Celsius unter Verwendung des empfohlenen Aktivierungstemperaturverfahrens, während Wasserstoff mit 500 SCCM durch den Reaktor fließt, um die Aktivierung des Katalysators abzuschließen. Bewahren Sie den aktivierten Katalysator unter einer Decke aus hochreinem Stickstoffgas auf, wenn das System im Leerlauf ist. Um den Prozess der Ammoniakerzeugung zu starten, schließen Sie das Auslassventil und fahren Sie den Reaktor auf 400 Grad Celsius und den Absorber auf 180 Grad Celsius hoch.

Spülen Sie das System mit hochreinem Stickstoffgas, indem Sie das System wiederholt unter Druck setzen und entlüften. Dann setzen Sie das System mit einem Ein- bis Dreiergemisch aus Stickstoff- und Wasserstoffgasen unter Druck. Stoppen Sie die Stickstoff- und Wasserstoff-Massendurchflussregler.

Schließen Sie das Reaktoreinlassventil. Öffnen Sie das Reaktorauslassventil und starten Sie die Umwälzpumpe. Überwachen Sie die Reaktor- und Absorbertemperaturen zu Beginn der Reaktion und passen Sie sie bei Bedarf an, um exotherme Prozesse auszugleichen.

Lassen Sie den Vorgang fünf Stunden lang laufen oder bis der Absorber durchbricht, was sich in einer Abnahme der Änderung des Systemdrucks im Laufe der Zeit zeigt. Öffnen Sie das Stickstoffeinlassventil und das Ammoniakauslassventil und reduzieren Sie das System auf Atmosphärendruck. Lassen Sie Stickstoff mit 100 SCCM durch das System fließen, während Sie den Absorber fünf Stunden lang erhitzen, um das Ammoniak freizusetzen.

Die hohen Drücke, die bei der herkömmlichen Methode verwendet werden, sind notwendig, um die Vorwärtsreaktion bei hohen Temperaturen zu begünstigen. Bei der Niederdrucktrennung wird das Ammoniak vollständiger abgeschieden, bevor es die Umkehrreaktion durchlaufen kann. Es wurde ein signifikanter Anstieg der Konversionsrate im Vergleich zur konventionellen Methode beobachtet.

Die anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeiten der Trennmethode stimmten mit den veröffentlichten Werten und separaten chemischen Kinetik-Experimenten überein. Temperaturschwankungen wurden bei den anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeiten der Reaktionsabsorptionsmethode beobachtet. Die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit zeigte eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit, was darauf hindeutet, dass die katalytische Reaktionsgeschwindigkeit kein wesentlicher limitierender Faktor für die Umwandlungsgeschwindigkeit im Trennverfahren ist.

Das Absorptionsmittel entfernte das Ammoniak effizient aus dem System, aber die Kapazität der Säule nahm nach jedem Zyklus ab. Es wird untersucht, wie die Lebensdauer der absorbierenden Säule verlängert werden kann. Es wurde nicht festgestellt, dass die Absorptionskinetik ein signifikant limitierender Faktor für die Ammoniakproduktion ist.

Es wurde festgestellt, dass die Rezirkulationsflussrate mit der Reaktionsgeschwindigkeit korreliert, was darauf hindeutet, dass es sich um den primären Steuerungsschritt für den Prozess handelt. Bei diesem Verfahren kann aus Luft, Wasser und Wind Ammoniak hergestellt werden. Die Luft und das Wasser sind Quellen für Stickstoff und Wasserstoff durch Druckwechselabsorption bzw. Elektrolyse.

Die Energie für den Prozess kommt aus dem Wind. Das Haber-Bosch-Verfahren ist eine jahrhundertealte Reaktion, die einen großen Teil der Weltbevölkerung ernährt. Der Versuch, es zu verbessern, birgt ein hohes Risiko und potenziell eine hohe Belohnung.

Unsere ursprüngliche Idee für diese Arbeit war es, landwirtschaftliche Familienbetriebe im ländlichen Minnesota autarker mit ihrem Stickstoffdünger zu machen. Das Versprechen eines Brennstoffs für energiearme Städte durch die Speicherung von Windenergie in Form von flüssigem Ammoniak war ein unerwarteter Gewinn. Der Schlüssel zum absorptionsbasierten Prozess liegt in der Entwicklung eines stabilen, wiederverwendbaren Absorptionsmittels, das Ammoniak bei seiner Herstellung effizient einfängt.

Durch den Ersatz des herkömmlichen Kondensators durch ein Absorptionsbett sind wir einem billigeren und sichereren Verfahren zur Ammoniakerzeugung näher, das für die Herstellung in kleinem Maßstab geeignet ist.