Name: Synthèse de l’ammoniac à basse pression (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Découvrez la synthèse de l'ammoniac à basse pression utilisant un absorbant solide sélectif et des énergies renouvelables. Cette méthode réduit les émissions de CO₂ et améliore l'efficacité réactionnelle par rapport aux procédés conventionnels.

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Ce travail était soutenu principalement par l’ARPA-E, une partie de l’US Department of Energy, par le Fonds des ressources naturelles et un environnement de Minnesota, conformément aux recommandations de la Commission législative-citoyen sur les ressources du Minnesota et de MNDRIVE, une initiative de la Université du Minnesota. Le soutien supplémentaire provient de la Fondation Dreyfus.

1. pilot Plant Start-up <ol><li><ol><li>tour du système de production d’azote sur le sécheur d’air, le compresseur d’air et l’azote générateur. Vérifiez qu’il n’y a au moins 800 kPa d’air dans le réservoir de compresseur d’air. Cela continue à envoyer d’azote vers le réservoir tampon jusqu'à ce qu’il n’y a pas plus de 0.004 % (40 ppm) d’oxygène dans l’azote.</li>
		Booster de gaz <li>tournant sur l’azote. Le booster de gaz commence à se remplir les réservoirs d’azote, à des pressions aussi hautes que 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Système de production d’hydrogène <ol><li>allumer le refroidisseur, l’unité de déionisation de l’eau et l’électrolyseur. L’électrolyseur ne fonctionnera pas sans un système d’aération, car il y a un capteur de débit qui mesure la pression négative d’évacuation afin de laisser l’électrolyseur à démarrer. L’hydrogène est produit avec un taux de 0,54 kg/h, et la pression de refoulement sera environ 1,5 MPa.</li>
		Booster de gaz <li>tournant sur l’hydrogène. Vérifiez que le refroidisseur est opérationnel et le liquide de refroidissement circule dans. Les réservoirs d’hydrogène seront remplies jusqu'à 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Démarrage de dérapage de l’ammoniac <ol><li>utiliser l’ordinateur dans la salle de contrôle pour effectuer les opérations suivantes : <ol><li>vérifier les issues de secours pour le bâtiment.</li>
			<li>S’assurer que les concentrations d’oxygène, d’hydrogène et d’ammoniac dans le bâtiment sont respectivement de moins de 20 %, 19 ppm et 35 ppm,.</li>
			<li>Vérifier que les réservoirs d’hydrogène et d’azote sont imputées aux 17 MPa.</li>
			<li>S’assurer que l’échantillon de l’ammoniac et les vannes de réservoir poids sont contournés.</li>
			<li>Pressuriser le patin avec de l’azote en définissant le patin &#39; s azote entrée régulateur à 2,5 MPa. Régler le régulateur de pression d’azote à 300 lb/po2 et ensuite ouvrir l’azote by-pass pour remplir la palette avec de l’azote à 300 lb/po2. Ensuite, fermez le robinet d’azote lorsque cette pression est atteinte. Définir l’hydrogène ordinaire à 1 200 lb/po2 et ouvrir la valve d’hydrogène pour permettre le patin remplir à 1 200 lb/po2. Puis fermez la vanne de dérivation hydrogène.</li>
			<li>Ouvrez le robinet d’arrivé d’hydrogène et de définir la palette &#39; s hydrogène entrée régulateur à 10 MPa.</li>
			<li>Régler le régulateur de pression NH 3 à 1 MPa.</li>
			<li>Utiliser l’interface graphique contrôlant logiciel pour ouvrir/pour fermer les soupapes de dérivation multiple sur le patin, le compresseur et les valves d’air.</li>
			<li>Utiliser l’interface graphique contrôlant logiciel pour activer un couple des contrôleurs PID pour s’assurer que le patin est alimenté avec un ratio de 1:3 N 2 : H 2.</li>
			<li>De la salle de contrôle et d’utiliser le GUI maître contrôlant logiciel, démarrer le patin. Le compresseur commence à faire circuler le gaz dans le dérapage et injecter l’aliment frais.</li>
			<li>Dans l’interface graphique contrôlant logiciel, régler la température de réaction et de la condensation. Les températures de réacteur et le condenseur sont fixés à 440 ° C et -25 ° C, respectivement. 
			Remarque : Il faut 4 jours pour le réacteur obtenir la température de consigne et atteindre une état d’équilibre condition.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 2. Démarrage d’appareil expérimental <ol><li>réduction et préparation du réacteur <ol><li>peser 3 g du avance réduite de catalyseur. Réduire la granulométrie des particules de catalyseur à moins de 1 mm à l’aide d’un mortier et un pilon.</li>
		<li>Charge le catalyseur dans 0,25 en tube et placer la laine de quartz des deux côtés.</li>
		<li>Utiliser un régulateur PID et augmentez la température de réacteur à la température de la réaction (400 ° C) avec des rampes d’accès appropriés, tout en hydrogène qui coule à travers le réacteur avec un débit de 500 centimètres cubes standards par minute (SCCM). Utilisez les rampes (résumées dans le tableau 1). 
		Remarque : L’augmentation de la température doit être très lisse afin d’obtenir l’activité du catalyseur approprié.</li>
		<li>Continuer le processus de réduction pendant 24 h. veiller à ce qu’aucun air ou impureté entre en contact avec le catalyseur. Gardez toujours le réacteur sous couverture d’azote.</li>
	</ol></li> <li>Préparation amortisseur <ol><li>charger 80 g de CaCl 2 absorbant dans la colonne de l’absorbeur (ID : 2,3 cm, longueur : 30 cm). Selon différentes tailles absorbants, absorbeur de différent supports d’emballage est utilisé des deux côtés de l’amortisseur, afin d’immobiliser le garnissage.</li>
		<li>Pour enlever toute humidité, augmenter la température de l’absorbeur à 350 ° C tout en azote qui coule avec le débit de 200 SCCM pour 24 h.</li>
	</ol></li> <li>Tests de séparation de réaction départ <ol><li>augmenter la température de réacteur et absorbeur à 400 ° C et 180 ° C, respectivement. 
		Remarque : Utilisez les rampes d’une température adéquate pour augmenter la température du réacteur. Utiliser des transformateurs pour rendre le contrôle de la température plus lisse. Maintenir le système en mode veille sous la couverture d’azote. Avant de commencer toute épreuve, de charger le système avec de l’azote à 5 MPa quelques fois et puis relâcher la pression.</li>
		<li>Utiliser l’interface graphique pour contrôler les contrôleurs de débit massique hydrogène et azote.</li>
		<li>Charger l’appareil à des pressions de la cible avec l’azote et d’hydrogène, avec le ratio de 1:3.</li>
		<li>Lorsqu’on atteint la pression de la cible, fermer les robinets d’arrivée, ouvrez la valve de sortie du réacteur et mettre en marche la pompe de recirculation. En raison de la réaction exothermique et l’absorption, les températures de réacteur et absorbeur peuvent nécessiter un contrôle plus minutieux au début du processus de.</li>
		<li>Continuer l’essai pendant 5 h, jusqu’au point de démarrage de l’absorbeur à percée.</li>
	</ol></li> <li>La désorption d’ammoniac <ol><li>ouvrir les vannes d’entrée et de sortie.</li>
		<li>Réduire le système &#39; s pression jusqu'à la pression atmosphérique et augmentez la température de l’absorbeur tandis qu’azote qui coule avec un débit de 100 SCCM pendant 5 h pour désorber l’ammoniac le matériau absorbant.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Étapes critiques de l’appareil expérimental de la réaction d’absorption :
Assurez-vous qu’il n’y a aucune impureté dans le système d’azote et d’hydrogène. Les matériaux absorbants vont changer après chaque cycle. Dans la plupart des cas, à haute température et en présence d’ammoniaque, les matériaux absorbants fusionnent et forment une grande béton plein. Selon les propriétés thermodynamiques de chaque aux halogénures métalliques et d’ammine complexe, les températures appropriées pour l’absorptio...

L’ammoniac est un principal produit chimique industriel. Il est produit par le procédé Haber - Bosch, qui est connu comme l’une des innovations plus importantes du 20ème siècle1,2. Synthèse de l’ammoniac est réalisée en présence d’un catalyseur hétérogène à des températures élevées (&#62; 375 ° C) et des pressions (&#62; 100 bar)3. Ces exigences élevées de la température et la pression faire ammoniac synthèse très énergétique - et capitalistique. Environ 150 millions de tonnes d’ammoniac sont produites chaque année4, qui tient compte de 1 à 3 % de la consommation mondiale d’énergie, 5 % de la consommation de gaz naturel et jusqu'à 3 % du changement climatique gaz émissions5,6, 7.
L’ammoniaque a deux principales utilisations potentielles. Tout d’abord, l’ammoniac est un des engrais azotés synthétiques1. Sans cet engrais, la moitié de la population actuelle n’aurait pas accès à une nourriture suffisante. Deuxièmement, l’ammoniac peut servir comme un vecteur d’énergie, soit comme combustible liquid neutre en carbone, soit comme un hydrogène indirecte transporteur8,9,10,11. En règle générale, les ressources renouvelables (par exemple le vent) sont disponibles dans les zones rurales peu peuplées, où il peut être capturé ; ce type d’énergie solaire et éolienne isolée est appelé « bloqué ». Dans ce scénario, les énergies électriques et thermiques de la source d’énergie renouvelable sont convertis en énergie-denses ammoniaque neutre en carbone. L’ammoniaque produite a ensuite peut être expédié vers les centres urbains, où il peut être directement utilisé dans les piles à combustible à base d’ammoniaque12 et de moteurs à combustion interne13, ou il peut être décomposé en hydrogène et ensuite être utilisé dans les piles à hydrogène ou stations d’hydrogène. Ainsi, nous pouvons passer le vent des prairies américaines dans les zones urbaines surpeuplées des Etats-Unis
Principalement en raison de l’utilisation des engrais, fabrication de l’ammoniac est une industrie importante. À température ambiante, la réaction de synthèse de l’ammoniac est exothermique et donc, au moins, en principe — spontanée14, cependant, parvenir à la réaction dans des conditions ambiantes est extrêmement difficile en raison de la liaison azote-azote forte 15. pour y remédier, Fritz Haber célèbre utilisé des températures élevées pour atteindre cinétique rapide, mais ces hautes températures signifiait que la réaction inverse inhibée la production. Afin de réduire les inhibitions de cette réaction inverse, Haber utilisé à haute pression pour améliorer la conversion. Il a effectué la réaction à grande échelle dans le Canon d’une arme, qui orne encore l’usine BASF à Ludwigshafen.
La nécessité d’utiliser les hautes températures et pression en actionnant la réaction pourrait potentiellement dans des conditions beaucoup plus modestes a frustré des chimistes pour plus d’un siècle2. Même après que le processus a été commercialisé, Karl Bosch et une immense cohorte à BASF brassèrent par le biais de l’intégralité du tableau périodique à la recherche de catalyseurs mieux. Tandis que Bosch a eu peu de succès, la recherche se poursuit toujours. Même l’an dernier, un nouveau programme de recherche visant à la recherche d’un nouveau catalyseur avait lancé16,17. La chimie détaillée de la synthèse de l’ammoniac est maintenant bien compris14, et si la recherche pour la nouveau catalyseur est réussie, il serait certainement en vaut la chandelle. Cependant, à notre avis, les échecs passés réduisent les chances de réussite future.
Dans le texte qui suit, on décrit les processus de synthèse de l’ammoniac à petite échelle, et la motivation pour enquêter sur un autre processus est expliquée.
Le processus à petite échelle :
Éolienne de l’ammoniac Nous améliorons le procédé Haber - Bosch pour la synthèse de l’ammoniac, qui cherchent un processus beaucoup plus petit, plus simple, qui peut être utilisé localement, mais produit des quantités négligeables de dioxyde de carbone. La faisabilité de fabrication d’ammoniac locales du vent a déjà été démontrée dans une usine pilote située à Morris, MN et illustré à la Figure 118. Morris est assis sur la crête de Buffalo, une formation de soixante milles de collines dans l’angle sud-ouest du Minnesota. La crête a vent exceptionnellement stable, solide, rouler sur la prairie. En conséquence, c’est la Mecque de l’électricité d’origine éolienne.
Avec cette électricité, nous fabriquons déjà ammoniac contre le vent, à l’aide de cette plante qui est quarante mille fois plus petite que les activités commerciales existantes pour les combustibles fossiles. Une électricité d’origine éolienne est utilisée pour faire l’azote de l’air par adsorption modulée en pression, une méthode établie pour la séparation d’air utilisée, par exemple, pour les patients avec emphysème qui ont besoin d’air enrichi en oxygène. Cependant, plus de l’électricité est utilisée pour faire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Ces gaz se combinent un classique comme catalyseur dans le processus illustré schématiquement à la Figure 2. Après la réaction, les gaz sont séparés par le froid pour condenser l’ammoniac liquide. Les gaz n’ayant pas réagi, ainsi que l’ammoniac aspirée, est recyclé.
Détails de l’usine pilote Dans notre usine-pilote, l’Université du Minnesota renouvelables hydrogène et l’ammoniac usine pilote, la puissance électrique est fournie d’une éolienne co-implanté 1,65 MW. L’usine pilote utilise environ 10 % de l’électricité, avec la puissance restante, utilisée à l’Université du Minnesota, campus de Morris.
Le système de production d’hydrogène utilise un électrolyseur, un compresseur d’appoint et un refroidisseur thermique. Ce système produit 0,54 kg d’hydrogène par heure, qui est stocké à 2 400 lb/po2 à l’aide de 24 kWh d’électricité. L’eau d’un puits sur place est purifiée en utilisant un système d’osmose inverse et de désionisation inverse. L’eau est ensuite fourni à l’électrolyseur à un taux de jusqu'à 15 L/h. azote est généré à l’aide d’un générateur d’azote, un compresseur d’air avant, un sécheur d’air et un compresseur booster. L’azote gazeux est stocké à 2 400 lb/po2 en utilisant environ 6 kWh d’électricité.
La synthèse de l’ammoniac utilise une palette personnalisée. Il comprend un compresseur, un réacteur, une boucle de refroidissement réfrigération et un radiateur électrique de 20 kW. La palette utilise environ 28 kWh d’électricité pour produire 2,7 kg d’ammoniac par heure qui est ensuite stocké à 150 psi. Le processus de production d’ammoniac est contrôlé avec des systèmes intégrés de PLC et HMI. Le produit de l’hydrogène et l’azote sont stockés sur place dans 18 azote storaréservoirs de GE et 54 réservoirs de stockage d’hydrogène. L’ammoniaque est également stocké sur site au sein d’un bâtiment de 3 100 gallons.
Production d’énergie éolienne est cher L’électricité pour ce processus est faite contre le vent, et donc le carburant pour la fabrication de l’ammoniac est libre, sans utiliser des combustibles fossiles. Cependant, les coûts en capital pour cette usine pilote sont dominées par les investissements pour la production d’hydrogène pour la synthèse de l’ammoniac. Les opérations à ce jour suggèrent que le coût de fabrication d’ammoniac à petite échelle sont environ deux fois celle des classique ammoniac issu des combustibles fossiles. Alors que nous continuons à optimiser nos processus, nous croyons que l’ammoniac petite éolienne ne sera pas compétitive aux prix actuels du gaz naturel. La capitale coûte par ammoniaque masse faite pourrait être réduit par un processus plus conventionnel, ou par un autre processus comme celui décrit suivant dans cet article.
Le processus d’Absorption :
L’absorption augmente la Production Le catalyseur utilisé pour la synthèse de l’ammoniac est restée presque inchangé au cours du siècle dernier19. En conséquence, nous avons effectué une approche différente dans cette recherche. Nous demander le catalyseur actuelle et la température de fonctionnement, mais absorbe l’ammoniac à une modeste pression dès qu’il est formé. Nous recyclons tout hydrogène n’a pas réagi et l’azote. Le processus est schématiquement comme ça dans la Figure 3, similaire au processus conventionnel, mais avec un amortisseur de garnissage, remplacer le condensateur.
Cinétique de la réaction initiale ne changent pas Expériences avec ce système à faible conversion montrent un taux de réaction initiale qui est compatible avec plusieurs études antérieures sur ce système3,14,15,20,21 , 22 , 23, tel qu’illustré à la Figure 4. Le panneau de gauche montre les taux initiaux, qui varient fortement avec la température. Ces taux varient aussi avec la pression, les variations sont plus petites, comme indiqué dans le panneau de droite. Dans notre processus de nouveau, nous utilisons le même catalyseur et des conditions d’exploitation semblables, mais chercher des moyens d’améliorer la production d’ammoniac à l’aide d’absorption à une pression inférieure. Nous espérons ainsi réduire les coûts en capital pour la synthèse de l’ammoniac.
Améliore l’absorption Conversion Dans notre travail, nous avons remplacé le condensateur dans le processus de petit avec un lit, qui est un vase cylindrique rempli de petites particules de l’absorbant. Nous avons souligné absorbants faits principalement de chlorure de magnésium et de chlorure de calcium11,24. Ces absorbants ammine ont deux effets. Tout d’abord, ils réduisent la concentration de l’ammoniac présente dans les gaz recyclés à près de zéro. Deuxièmement, ils réduisent efficacement le temps de séparation à près de zéro. Cette stratégie est productive25,26,27. Par exemple, dans la Figure 5, nous montrons que le taux de fabrication de l’ammoniac, qui est proportionnelle à la baisse de la pression totale dans le système, est beaucoup plus grand avec absorption que sans. En particulier, la réaction au bar 90, illustré par les cercles rouges, est moins complète que la réaction avec l’absorbant, illustré par les triangles bleus27. Cela est vrai même si la réaction sans absorbant a lieu à une pression presque deux fois plus que la réaction d’absorption. Dans des expériences antérieures (non illustrées ici), nous avons également montré que la conversion éventuelle du processus est de 20 % sans absorbant mais plus de 95 % avec de l’absorbant.
La vitesse de réaction varie beaucoup moins avec la température avec absorption que sans. Ceci est illustré dans la Figure 6, qui fait à nouveau rapport synthèse de l’ammoniac sous pression totale versus temps27. Modification de la température de la réaction de 60 ° C a peu d’effet sur la vitesse de réaction. Cela contraste avec les taux initiaux dans la Figure 4, qui indique un changement de vitesse de la réaction de presque un ordre de grandeur. Les résultats dans la Figure 4 et Figure 6 sont différentes parce que l’effet de la réaction inverse a été réduit, afin de la cinétique chimique ne sont plus la seule étape responsable du taux global.

<table><tbody><tr><td>Appareil expérimental </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chlorure</td><td>de magnésium Sigma Aldrich</td><td>7786-30-3</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Chlorure de calcium</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10043-52-4</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Hydrogène ultra pur</td><td>Matheson</td><td>SG PHYF30050</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Azote ultra pur</td><td>Matheson</td><td>SG G1881112</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Catalyseur à base de fer</td><td>Clariant/Sud Chemie-Charlotte</td><td></td><td>, NC</td></tr><tr><td>Pompe à piston variable</td><td>PumpWorks Inc.</td><td>PW2070N</td><td>Minneapolis, MN</td></tr><tr><td>Omega Chauffage en céramique</td><td>Omega</td><td>CRFC-36/115-A</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>Contrôleur PID</td><td>Omega</td><td>CN96211TR</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>Conditionneur de signal</td><td>Omega</td><td>DRG-SC-TC</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>Transducteur de pression</td><td>WIKA</td><td>50426877</td><td>Lawrenceville, Géorgie</td></tr><tr><td>Contrôleur de débit massique</td><td>Brooks Instruments</td><td>SLA5850</td><td>Hatefield, Pennsylvanie<</td></tr><tr><td>strong>Nom</td><td>Entreprise</td><td>Numéro de catalogue</td><td>Comments</strong</td></tr><tr><td>><Usine pilote></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Electrolyzer</td><td>Proton OnSite</td><td>H6 Series</td><td>Wallingford, CT</td></tr><tr><td>Gas Booster</td><td>Machine PDC</td><td>3 2500&nbsp ;</td><td>Warminster, Pennsylvanie</td></tr><tr><td>Éolienne</td><td>Vestas</td><td>V82</td><td>Portland, OR</td></tr><tr><td>Refroidisseur</td><td>Soins thermiques</td><td>Série SQ</td><td>Niles, IL</td></tr><tr><td>Purificateur d’eau</td><td>Elga Pure Lab</td><td>S-15</td><td></td>Générateur d’azote</tr> Système <tr><td></td><td>de gaz innovant</td><td>NS-10</td><td>Huoston, TX</td></tr><tr><td>Compresseur d’air</td><td>Hydrovane</td><td>HV05</td><td></td></tr></tbody></table>

synthèse de l’ammoniac à basse pression

Ammonia Synthesis at Low Pressure

L’ammoniac peut être synthétisé à basse pression par l’utilisation d’un absorbant sélectif de l’ammoniac. Le processus peut être piloté avec l’énergie éolienne, disponible localement dans les domaines exigeant l’ammoniac pour engrais synthétiques. Cette énergie éolienne est souvent appelé « bloqué », parce qu’il n’est disponible, loin des centres de population où il peut être utilisé directement.
Dans le processus de proposition de basse pression, azote est faite de l’air à l’aide d’absorption d’oscillation de pression, et l’hydrogène est produit par électrolyse de l’eau. Tandis que ces gaz peut réagir à environ 400 ° C en présence d’un catalyseur promu classique, la conversion est souvent limitée par la réaction inverse, ce qui rend cette réaction uniquement possible à des pressions élevées. Cette limitation peut être enlevée par absorption sur un ammine-comme le chlorure de calcium ou de magnésium. Ces halogénures de métaux alcalins peuvent effectivement enlever l’ammoniac, supprimant ainsi les contraintes de l’équilibre de la réaction. Dans le processus de synthèse d’ammoniac d’absorption améliorée proposée, la vitesse de réaction puis peut être contrôlée non par la cinétique chimique, ni les taux d’absorption, mais par le taux de la recyclage des gaz n’a pas réagi. Les résultats se comparent favorablement avec l’ammoniac issu de petite échelle conventionnelle procédé Haber - Bosch.

Une usine pilote à Morris, MN a démontré la possibilité d’utiliser le vent pour local d’ammoniac fabrication18, tel qu’illustré à la Figure 1. L’éolienne produit de l’électricité, qui est utilisée pour faire d’azote et d’hydrogène par l’absorption d’oscillation de pression d’air et par l’électrolyse de l’eau, respectivement. Un réacteur utilise un catalyseur classique pour combiner les gaz d’azote et d’hydrogène, rendant l’ammoniac. L’...

L’ammoniac peut être synthétisé à basse pression à l’aide d’un catalyseur conventionnel et un absorbant sélectif de l’ammoniac.

Synthèse de l’ammoniac à basse pression

Ammonia can be synthesized at low pressure by the use of an ammonia selective absorbent. The process can be driven with wind energy, available locally in ...

L'objectif général de cette procédure est de produire de l'ammoniac à partir de l'air, de l'eau et de l'énergie éolienne dans un procédé à basse pression avec des émissions négligeables de dioxyde de carbone. Cette méthode peut contribuer à résoudre des problèmes clés liés à la production d'ammoniac, tels que l'efficacité de la réaction, la distribution du produit et les émissions de dioxyde de carbone. Le procédé utilise un absorbant solide sélectif de l'ammoniac plutôt qu'un condenseur.Le retrait continu de l'ammoniac du système diminue la fréquence de la réaction chimique inverse. Le principal avantage de ce procédé est qu'il peut être réalisé à une pression plus faible, ce qui est plus sûr et moins coûteux. Cory Marquart et moi exploitons une usine destinée au procédé classique dont la taille est 30 000 fois inférieure à celle des usines typiques.Ceci fournit une référence pour la comparaison avec le procédé d'absorption. Mike Reese et Cory Marquart exploitent l'installation conventionnelle à petite échelle à Morris, dans le Minnesota. Le procédé fondé sur l'absorption sera démontré par Mahdi Malmali, chercheur postdoctoral affilié à notre laboratoire.Avant de commencer le processus, mettez en marche l'usine de production d'ammoniac et portez le réacteur catalytique à 440 degrés Celsius. Réglez la température du condenseur à moins 18 degrés Celsius. Ensuite, allumez le sécheur d'air, le compresseur d'air et le générateur d'azote.Activer le surpresseur de gaz azote pour remplir les réservoirs d'azote. Allumer le refroidisseur, l'unité de déionisation de l'eau, l'électrolyseur et le surpresseur de gaz hydrogène. Vérifier que le refroidisseur fonctionne et que le liquide de refroidissement circule.Régler ensuite le régulateur d'entrée d'azote à 300 psi. Ouvrir la vanne d'azote pour commencer à pressuriser le chariot de procédé. Fermer la vanne de dérivation d'azote lorsque le chariot atteint 300 psi.Ensuite, régler le régulateur d'entrée d'hydrogène à 1 200 psi et ouvrir la vanne d'hydrogène. Une fois que le chariot atteint 1 200 psi, fermer la vanne d'hydrogène. Démarrer le chariot pour commencer à faire circuler le mélange gazeux d'azote à hydrogène dans un rapport de un à trois à travers le système.Une fois le processus terminé, stockez l'ammoniac condensé à 150 psi. Pour préparer le réacteur, utilisez un mortier et un pilon pour broyer les particules de catalyseur afin qu'elles aient une taille inférieure à un millimètre. Emballez le catalyseur broyé dans un tube de 0,25 pouce de diamètre.Pour préparer l'absorbeur, introduire 80 grammes de chlorure de calcium ou une quantité équivalente d'un autre absorbant sélectif pour l'ammoniac dans une colonne de 30 centimètres de longueur et de 2,3 centimètres de diamètre intérieur. Boucher les extrémités de la colonne avec un matériau de soutien suffisant pour immobiliser l'absorbant. Installer l'absorbeur et le réacteur dans le dispositif expérimental.Chauffer le réacteur à 450 degrés Celsius en utilisant la procédure de température d'activation recommandée, tout en faisant circuler de l'hydrogène à travers le réacteur à 500 SCCM pour terminer l'activation du catalyseur. Maintenir le catalyseur activé sous une atmosphère d'azote ultra-pur lorsque le système est au repos. Pour commencer le processus de production d'ammoniac, fermer la vanne de sortie et porter le réacteur à 400 degrés Celsius et l'absorbeur à 180 degrés Celsius.Procédez au rinçage du système avec du gaz azote ultra-pur en pressurisant et en dépressurisant plusieurs fois le système. Ensuite, pressurisez le système avec une mixture d'azote et d'hydrogène dans un rapport de un à trois. Arrêtez les débitmètres massiques d'azote et d'hydrogène.Fermez la vanne d'entrée du réacteur. Ouvrez la vanne de sortie du réacteur et démarrez la pompe de recirculation. Surveillez les températures du réacteur et de l'absorbeur lorsque la réaction commence, et ajustez-les selon les besoins pour compenser les processus exothermiques.Faire fonctionner le processus pendant cinq heures ou jusqu'à ce que l'absorbeur commence à se saturer, ce qui est indiqué par une diminution de la variation de la pression du système au fil du temps. Ouvrir la vanne d'entrée d'azote et la vanne de sortie d'ammoniac, puis ramener le système à la pression atmosphérique. Faire circuler de l'azote dans le système à 100 SCCM tout en chauffant l'absorbeur pendant cinq heures afin de libérer l'ammoniac.Les hautes pressions utilisées dans la méthode conventionnelle sont nécessaires pour favoriser la réaction directe à haute température. Dans la méthode de séparation à basse pression, l'ammoniac est séparé plus complètement avant de pouvoir subir la réaction inverse. Une augmentation significative du taux de conversion a été observée par rapport à la méthode conventionnelle.Les vitesses initiales de réaction de la méthode de séparation étaient conformes aux valeurs publiées et à celles d'expériences cinétiques chimiques distinctes. Une variation de température a été observée dans les vitesses initiales de réaction de la méthode d'absorption réactionnelle. La vitesse globale de réaction a montré une dépendance beaucoup plus faible vis-à-vis de la température, indiquant que la vitesse de réaction catalytique n'est pas un facteur limitant majeur pour la vitesse de conversion dans la méthode de séparation.L'absorbant a efficacement éliminé l'ammoniac du système, mais la capacité de la colonne a diminué après chaque cycle. Une étude visant à prolonger la durée de vie de la colonne d'absorbant est en cours. La cinétique d'absorption n'a pas été jugée un facteur limitant significatif pour la production d'ammoniac.Le débit de recyclage s'est révélé corrélé au taux de réaction, indiquant qu'il s'agit de l'étape principale contrôlant le processus. Ce procédé permet de produire de l'ammoniac à partir de l'air, de l'eau et du vent. L'air et l'eau constituent respectivement les sources d'azote et d'hydrogène par absorption à variation de pression et par électrolyse.L'énergie nécessaire au processus provient du vent. Le procédé Haber-Bosch est une réaction âgée d'un siècle qui nourrit une grande partie de la population mondiale. Tenter de l'améliorer comporte un risque élevé, mais aussi une récompense potentielle importante.Notre idée initiale pour ce travail était de rendre les exploitations agricoles familiales des zones rurales du Minnesota plus autonomes en matière d'engrais azoté. La possibilité de produire un carburant destiné aux villes déficitaires en énergie, en stockant l'énergie éolienne sous forme d'ammoniac liquide, constituait un avantage inattendu. La clé du procédé par absorption réside dans l'élaboration d'un absorbant stable et réutilisable capable de piéger efficacement l'ammoniac au fur et à mesure de sa production.En remplaçant le condenseur classique par un lit absorbant, nous nous rapprochons d'un procédé de production d'ammoniac moins coûteux et plus sûr, adapté à une fabrication à petite échelle.

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