Síntesis del amoníaco a baja presión

El objetivo general de este procedimiento es producir amoníaco a partir de aire, agua y energía generada por el viento mediante un proceso de baja presión con emisiones despreciables de dióxido de carbono. 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 selectivo para el amoníaco en lugar de un condensador.

La eliminación continua del amoníaco del sistema disminuye la ocurrencia de la reacción química inversa. La principal ventaja de este proceso es que puede realizarse a menor presión, lo cual 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 para la comparación con el proceso absorbente. Mike Reese y Cory Marquart están operando la planta convencional a pequeña escala en Morris, Minnesota. El proceso basado en absorción será demostrado por Mahdi Malmali, un investigador postdoctoral afiliado a nuestro laboratorio.

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

Encienda el impulsor de gas nitrógeno para llenar los tanques de suministro de nitrógeno. Encienda el refrigerador, la unidad de desionización de agua, el electrolizador y el impulsor de gas hidrógeno. Verifique que el refrigerador esté funcionando y que el líquido de enfriamiento esté circulando.

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

A continuación, ajuste el regulador de entrada de hidrógeno a 1.200 PSI y abra la válvula de hidrógeno. Una vez que el skid alcance 1.200 PSI, cierre la válvula de hidrógeno. Inicie el skid para comenzar a hacer circular la mezcla de gas de nitrógeno a hidrógeno de uno a tres a través del sistema.

Después de que el proceso haya terminado, almacene el amoníaco condensado a 150 PSI. Para preparar el reactor, utilice un mortero y un pistilo para moler las partículas del catalizador hasta un tamaño inferior a un milímetro. Empaquete el catalizador molido en tubos de 0,25 pulgadas.

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

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

Lave el sistema con gas nitrógeno ultra puro presurizando y despresurizando repetidamente el sistema. Luego, presurice el sistema con una mezcla de uno a tres de 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 e inicie la bomba de recirculación. Monitoree las temperaturas del reactor y del absorbedor cuando comience la reacción y ajústelas según sea necesario para compensar los procesos exotérmicos.

Realice el proceso durante cinco horas o hasta que el absorbedor comience a presentar fugas, indicado por una disminución en el cambio de 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. Pase 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 de manera más completa antes de que pueda experimentar la reacción inversa. Se observó un aumento significativo en la velocidad de conversión en comparación con el método convencional.

Las velocidades iniciales de reacción del método de separación fueron consistentes con los valores publicados y con experimentos independientes de cinética química. Se observó variación de temperatura en las velocidades iniciales de reacción del método de absorción por reacción. La velocidad global de reacción mostró una dependencia mucho menor respecto a la temperatura, lo que indica que la velocidad de reacción catalítica no es un factor limitante importante para la velocidad de conversión en el método de separación.

El absorbente eliminó eficazmente el amoníaco del sistema, pero la capacidad de la columna disminuyó después de cada ciclo. Actualmente se está investigando cómo prolongar la vida útil de la columna de absorbente. No se encontró que la cinética de absorción fuera un factor limitante significativo para la producción de amoníaco.

Se descubrió que la velocidad de flujo de recirculación se correlaciona con la velocidad de reacción, lo que indica que es el paso principal que controla el proceso. Este proceso puede producir amoníaco a partir de aire, agua y viento. El aire y el agua son fuentes de nitrógeno e hidrógeno mediante absorción por cambio de presión y electrólisis, respectivamente.

La energía para el proceso proviene del viento. El proceso Haber-Bosch es una reacción centenaria que alimenta una gran fracción de la población mundial. Intentar mejorarlo conlleva un alto riesgo y una recompensa potencialmente elevada.

Nuestra idea original para este trabajo fue hacer que las granjas familiares en zonas rurales de Minnesota fueran más autosuficientes en cuanto a su fertilizante nitrogenado. La posibilidad de obtener un combustible para ciudades con escasez de energía almacenando la energía eólica en forma de amoníaco líquido fue una ventaja inesperada. La clave del proceso basado en absorción consiste en desarrollar un absorbente estable y reutilizable que atrape eficientemente el amoníaco conforme se produce.

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