Síntesis del amoníaco a baja presión

El objetivo general de este procedimiento es producir amoníaco a partir de la energía generada por el aire, el agua y el viento en un proceso de baja presión con emisiones de dióxido de carbono insignificantes. Este método puede ayudar a abordar problemas clave en la producción de amoníaco, como la eficiencia de la reacción, la distribución del producto y las emisiones de dióxido de carbono. El proceso utiliza un absorbente sólido seleccionado con amoníaco en lugar de un condensador.

La eliminación continua de amoníaco del sistema disminuye la ocurrencia de la reacción química inversa. La principal ventaja de este proceso es que se puede realizar a una presión más baja, lo que es más seguro y menos costoso. Cory Marquart y yo operamos una planta para el proceso convencional que es 30.000 veces más pequeña que las plantas típicas.

Esto proporciona un estándar de comparación con el proceso absorbente. Mike Reese y Cory Marquart están operando la planta convencional a pequeña escala en Morris, Minnesota. La demostración del proceso basado en la absorción estará a cargo de Mahdi Malmali, becario postdoctoral afiliado a nuestro laboratorio.

Antes de comenzar el proceso, ponga en marcha la planta de generación de amoníaco y aumente el reactor catalítico a 440 grados centígrados. Ajuste la temperatura del condensador a menos 18 grados centígrados. A continuación, encienda el secador de aire, el compresor de aire y el generador de nitrógeno.

Encienda el refuerzo de gas nitrógeno para llenar los tanques de suministro de nitrógeno. Encienda el enfriador, la unidad de desionización de agua, el electrolizador y el refuerzo de gas hidrógeno. Verifique que el enfriador esté en funcionamiento y que el líquido refrigerante fluya a través de él.

A continuación, ajuste el regulador de entrada de nitrógeno a 300 PSI. Abra la válvula de nitrógeno para comenzar a presurizar el patín del proceso. Cierre la válvula de derivación de nitrógeno cuando el patín alcance los 300 PSI.

Luego, ajuste el regulador de entrada de hidrógeno a 1, 200 PSI y abra la válvula de hidrógeno. Una vez que el patín alcance 1,200 PSI, cierre la válvula de hidrógeno. Encienda el patín para comenzar a ciclar la mezcla de gas de nitrógeno a hidrógeno de uno a tres a través del sistema.

Una vez finalizado el proceso, almacene el amoníaco condensado a 150 PSI. Para preparar el reactor, use un mortero para moler las partículas de catalizador hasta que tengan un tamaño de menos de un milímetro. Empaque el catalizador molido en un tubo de 0.25 pulgadas.

Para preparar el absorbente, empaque 80 gramos de cloruro de calcio o una cantidad equivalente de otro absorbente selectivo de amoníaco en una columna de 30 centímetros con un diámetro interior de 2,3 centímetros. Tape los extremos de la columna con suficiente material de soporte de empaquetadura para inmovilizar el absorbente. Instale el absorbedor y el reactor en el aparato experimental.

Caliente el reactor a 450 grados Celsius utilizando el procedimiento de temperatura de activación recomendado mientras fluye hidrógeno a través del reactor a 500 SCCM para finalizar la activación del catalizador. Mantenga el catalizador activado bajo una manta de gas nitrógeno ultrapuro cuando el sistema esté inactivo. Para comenzar el proceso de generación de amoníaco, cierre la válvula de salida y aumente el reactor a 400 grados Celsius y el absorbedor a 180 grados Celsius.

Enjuague el sistema con gas nitrógeno ultrapuro presurizando y ventilando repetidamente el sistema. Luego, presurice el sistema con una mezcla de uno a tres gases de nitrógeno e hidrógeno. Detenga los controladores de flujo másico de nitrógeno e hidrógeno.

Cierre la válvula de entrada del reactor. Abra la válvula de salida del reactor y ponga en marcha la bomba de recirculación. Monitoree las temperaturas del reactor y del absorbedor a medida que comienza la reacción y ajústelas según sea necesario para compensar los procesos exotérmicos.

Ejecute el proceso durante cinco horas o hasta que el absorbedor comience a abrirse paso, como lo indica una disminución en el cambio en la presión del sistema con el tiempo. Abra la válvula de entrada de nitrógeno y la válvula de salida de amoníaco y reduzca el sistema a presión atmosférica. Fluya nitrógeno a través del sistema a 100 SCCM mientras calienta el absorbedor durante cinco horas para liberar el amoníaco.

Las altas presiones utilizadas en el método convencional son necesarias para favorecer la reacción directa a altas temperaturas. En el método de separación a baja presión, el amoníaco se separa más completamente antes de que pueda sufrir la reacción inversa. Se observó un aumento significativo en la tasa de conversión en relación con el método convencional.

Las velocidades de reacción iniciales del método de separación fueron consistentes con los valores publicados y los experimentos cinéticos químicos separados. Se observó variación de temperatura en las velocidades de reacción iniciales del método de absorción de reacción. La velocidad de reacción general mostró una dependencia mucho menor de la temperatura, lo que indica que la velocidad de reacción catalítica no es un factor limitante importante para la tasa de conversión en el método de separación.

El absorbente eliminó eficientemente el amoníaco del sistema, pero la capacidad de la columna disminuyó después de cada ciclo. Se está investigando la prolongación de la vida útil de la columna absorbente. No se encontró que la cinética de absorción fuera un factor significativamente limitante para la producción de amoníaco.

Se encontró que el caudal de recirculación se correlaciona con la velocidad de reacción, lo que indica que es el principal paso de control para el proceso. Este proceso puede producir amoníaco a partir del aire, el agua y el viento. El aire y el agua son fuentes de nitrógeno e hidrógeno por absorción por oscilación de presión y electrólisis, respectivamente.

La energía para el proceso proviene del viento. El proceso Haber-Bosch es una reacción centenaria que alimenta a una gran parte de la población mundial. Tratar de mejorarlo tiene un alto riesgo y potencialmente una alta recompensa.

Nuestra idea original para este trabajo era hacer que las granjas familiares en las zonas rurales de Minnesota fueran más autosuficientes para su fertilizante nitrogenado. La promesa de un combustible para las ciudades con escasez de energía al almacenar energía eólica en forma de amoníaco líquido fue una ganancia inesperada. La clave del proceso basado en la absorción es desarrollar un absorbente estable y reutilizable que atrape eficazmente el amoníaco a medida que se produce.

Al sustituir el condensador convencional por un lecho absorbente, estamos más cerca de un proceso de generación de amoníaco más barato y seguro, adecuado para la fabricación a pequeña escala.