Name: סינתזה אמוניה בלחץ נמוך (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: למד סינתזת אמוניה בלחץ נמוך באמצעות סופח מוצק סלקטיבי ואנרגיית רוח. שיטה זו מפחיתה פליטות פחמן דו-חמצני ומשפרת יעילות תגובה בהשוואה לשיטות מסורתיות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו בעיקר נתמך על ידי ARPA-E, חלק מאיתנו במשרד האנרגיה, על ידי מינסוטה הסביבה ועל משאבי הטבע הנאמנות, כמומלץ הוועדה המחוקקת-אזרחים על משאבי מינסוטה, ועל -ידי MNDRIVE, יוזמה של אוניברסיטת מינסוטה. תמיכה נוספת הגיעה מקרן דרייפוס.

1. טייס צמח סטארט-אפ <ol><li>מערכת הייצור חנקן <ol><li>התור על מייבש את האוויר, מדחס אוויר, את החנקן גנרטור. ודא שיש לפחות 800 kPa אוויר במיכל מדחס אוויר. זה ממשיך לשלוח חנקן למיכל מאגר עד לא יותר חמצן 0.004% (40 ppm) החנקן.</li>
		<li>הפעל החנקן גז המאיץ. המאיץ גז מתחיל למלא את מיכלי אספקת חנקן, על לחצים גבוהה כמו 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>מערכת הייצור מימן <ol><li>להפעיל את chiller, היחידה deionization מים, את electrolyzer. Electrolyzer לא יפעלו ללא מערכת אוורור, כי ישנו חיישן הזרימה המודד הלחץ השלילי אוורור כדי לתת את electrolyzer להתחיל. המימן הוא מיוצר עם שיעור של 0.54 ק ג/שעה, כאשר הלחץ פריקה יהיו בערך 1.5 מגפ ס.</li>
		<li>הפעל את המימן גז המאיץ. ודא chiller פועל הנוזל קירור הוא זורם. הטנקים אספקת המימן יהיה מלא עד 17 מגפ ס.</li>
	</ol></li> <li>אמוניה החלקה סטארט-אפ <ol><li>להשתמש במחשב בחדר הבקרה כדי לבצע את הפעולות הבאות: <ol><li>לאמת יציאות החירום לבניית.</li>
			<li>לוודא ריכוזי חמצן, מימן ו אמוניה בבניין הם פחות מ-20%, 19 עמודים לדקה ו- 35 עמודים לדקה, בהתאמה.</li>
			<li>לוודא כי הטנקים אספקת חנקן ומימן מחויב כדי 17 MPa.</li>
			<li>לוודא את הדוגם אמוניה ושסתומים הטנק את משקל נעקפות.</li>
			<li>תתאימי את ההחלקה עם חנקן על-ידי הגדרת את ההחלקה &#39; s חנקן כניסת הרגולטור כדי 2.5 מגפ ס. הגדר את וסת הלחץ חנקן 300 psi, ואז פתח החנקן לעקוף את השסתום כדי למלא את ההחלקה בחנקן 300 psi. לאחר מכן סגור את השסתום חנקן כאשר הלחץ הזה. הגדר המימן הרגיל 1,200 psi ופתח את השסתום מימן כדי לאפשר את החלקה למלא עד 1,200 psi. ולאחר מכן סגור את שסתום מעקף מימן.</li>
			<li>פתח את שסתום כניסת מימן והגדר את ההחלקה &#39; s מימן כניסת הרגולטור כדי 10 MPa.</li>
			<li>להגדיר את וסת הלחץ NH 3 1 מגפ ס.</li>
			<li>להשתמש GUI השליטה בתוכנה כדי לסגור/לפתוח מרובים שסתומים עקיפה על יכול לראות, המדחס אוויר המסתמים.</li>
			<li>להשתמש GUI השליטה תוכנה כדי להפעיל שני בקרי PID כדי להבטיח כי זהו מוזן עם יחס של 1:3 של N 2:2 H 2.</li>
			<li>מ לחדר הבקרה, ואתה משתמש GUI מאסטר שולט תוכנה, להתחיל את ההחלקה. המדחס מתחיל recirculate כמות הדלק ההחלקה, ולהזריק את ההזנה טריים.</li>
			<li>ב- GUI שליטה תוכנה, להגדיר את טמפרטורת התגובה ועיבוי. הטמפרטורות הכור ואת condenser נקבעים כ- 440 ° C ו-25 ° C, בהתאמה. 
			הערה: זה לוקח עד 4 ימים עבור הכור להגיע לטמפרטורה שנקבעה מראש להשיג תנאי מצב יציב.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 2. סטארט אפ מתקן ניסיוני <ol><li>הכנת כור וצמצום <ol><li>שוקלים דור 3 מופחת מראש זרז. להקטין את גודל החלקיקים חלקיקי הזרז פחות מ 1 מ"מ באמצעות ומכתש.</li>
		<li>טען הזרז 0.25, אבובים, ולמקם קוורץ צמר משני הצדדים.</li>
		<li>של בקר PID ושימוש להגביר את טמפרטורת הכור לטמפרטורה התגובה (400 מעלות צלזיוס) עם רמפות המתאים, בעוד מימן זורם דרך הכור עם קצב זרימה של 500 רגיל סמ ק בדקה (SCCM). השתמש רמפות (מסוכם בטבלה 1). 
		הערה: העלייה הטמפרטורה צריכה להיות חלקה מאוד על מנת לקבל את פעילות זרז נכונה.</li>
		<li>המשך תהליך הפחתת ה 24 ודא אין אוויר או טומאה בא במגע עם הזרז. תמיד לשמור את הכור תחת שמיכה חנקן.</li>
	</ol></li> <li>הכנה בולם <ol><li>לטעון 80 גר' של CaCl 2 סופג לתוך העמודה בולם (ID: 2.3 ס מ, אורך: 30 ס"מ). על פי סופג בגדלים שונים, בולם שונים אריזה תומך ייעשה שימוש משני צידי בולם, כדי לשתק את המיטה ארוז.</li>
		<li>כדי להסיר את כל הלחות, מעלה את הטמפרטורה בולם עד 350 ° C ואילו חנקן זורם עם קצב הזרימה של SCCM 200 עבור ה 24</li>
	</ol></li> <li>ההתחלתי התגובה ההפרדה בדיקות <ol><li>להגביר את טמפרטורת הכור, בולם 400 ° C, 180 ° C, בהתאמה. 
		הערה: השתמש רמפות טמפרטורה נאותה כדי להגביר את טמפרטורת הכור. השתמש רובוטריקים כדי להפוך את הפקד טמפרטורה חלקה. לשמור על המערכת הנתמה מתחת לשמיכה חנקן. לפני תחילת כל מבחן, לחייב את המערכת עם חנקן כדי 5 MPa מספר פעמים ולאחר מכן שחרר את הלחץ.</li>
		<li>להשתמש GUI כדי לשלוט על בקרי זרימת מסה מימן וחנקן.</li>
		<li>לחייב את המנגנון כדי הלחצים היעד עם חנקן ומימן, עם היחס של 1:3-</li>
		<li>פעם הלחץ המטרה מושגת לסגור את סופיים, לפתוח את השסתום עודפים של הכור, תדליק את המשאבה recirculating. עקב תגובה אקסותרמית הקליטה, הטמפרטורות הכור, בולם עשויים לדרוש שליטה יותר זהיר בתחילת התהליך.</li>
		<li>להמשיך את הבדיקה עבור 5 שעות, עד הנקודה בולם הפעלת לפריצת.</li>
	</ol></li> <li>Desorption של אמוניה <ol><li>פתח את השסתומים כניסת ולשקע.</li>
		<li>להפחית את המערכת &#39; s הלחץ הלחץ האטמוספרי ולהגדיל את הטמפרטורה של בולם תוך חנקן זורם עם קצב זרימה של SCCM 100 עבור 5 שעות כדי מפסידה אמוניה מתוך החומר סופג.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., Winiwarter, W. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/ngeo/journal/v1/n10/abs/ngeo325.html">How a century of ammonia synthesis changed the world.</a> Nat Geosci. 1 (10), 636-639 (2008).</li>
<li>Vojvodic, A., Medford, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000926141400147X">Exploring the limits: A low-pressure, low-temperature Haber-Bosch process.</a> Chem Phys Lett. 598, 108-112 (2014).</li>
<li>Jennings, J. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJennings%2C+JR+%22Catalytic+Ammonia+Synthesis%22">Catalytic Ammonia Synthesis</a>. , Springer Science and Business Media. Plenum Press. (1991).</li>
<li>Apodaca, L. E. Nitrogen (Fixed) - Ammonia. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf">https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf</a> (2016).</li>
<li>IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/">http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/</a> (2014).</li>
<li>Gielen, D. Tracking Industrial Energy Efficiency and CO2 Emissions - Organization for Economic Co-operation and Development. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.iea.org/w/bookshop/pricing.html">http://www.iea.org/w/bookshop/pricing.html</a> (2007).</li>
<li>Worrell, E., Phylipsen, D., Einstein, D., Martin, N. LBNL-44314 Energy Use and Energy Intensity of the U.S. Chemical Industry. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://ateam.lbl.gov/PUBS/doc/LBNL-44314.pdf">http://ateam.lbl.gov/PUBS/doc/LBNL-44314.pdf</a> (2000).</li>
<li>Wojcik, A., Middleton, H., Damopoulos, I., Van herle, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ammonia+as+a+fuel+in+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22J+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Ammonia as a fuel in solid oxide fuel cells.</a> J Power Sources. 118 (1-2), 342-348 (2003).</li>
<li>Zamfirescu, C., Dincer, I. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775308004461">Using ammonia as a sustainable fuel.</a> J Power Sources. 185 (1), 459-465 (2008).</li>
<li>Christensen, C. H., Johannessen, T., Sørensen, R. Z., Nørskov, J. K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920586105007157">Towards an ammonia-mediated hydrogen economy?</a> Catalysis Today. 111 (1-2), 140-144 (2006).</li>
<li>Hummelshøj, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((reversible+high-density+hydrogen+storage+in+compact+metal+ammine+salts%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">reversible high-density hydrogen storage in compact metal ammine salts.</a> J Am Chem Soc. 130 (27), 8660-8668 (2008).</li>
<li>Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/er.1588/abstract">Ammonia-fed solid oxide fuel cells for power generation-A review.</a> Int J Energy Res. 33 (11), 943-959 (2009).</li>
<li>Zamfirescu, C., Dincer, I. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382009000241">Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications.</a> Fuel Process Technol. 90 (5), 729-737 (2009).</li>
<li>Ertl, G. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03602458008067533">Surface Science and Catalysis-Studies on the Mechanism of Ammonia Synthesis: The P. H. Emmett Award Address.</a> Catal Rev. 21 (2), 201-223 (2006).</li>
<li>Nielsen, A., Kjaer, J., Bennie, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021951764900946">Rate equation and mechanism of ammonia synthesis at industrial conditions.</a> J Catal. 3 (1), 68-79 (1964).</li>
<li>U.S. Department of Energy. DE-FOA-0001569 Sustainable Ammonia Synthesis. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf">https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf</a> (2016).</li>
<li>Chen, J., Miranda, R., Fitzsimmons, T., Stack, R. Sustainable Ammonia Synthesis - Exploring the scientific challenges associated with discovering alternative, sustainable processes for ammonia production. DOE Roundtable Report. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf">https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf</a> (2016).</li>
<li>Reese, M., Marquart, C., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.5b04909">Performance of a Small-Scale Haber Process.</a> Ind Eng Chem Res. 55 (13), 3742-3750 (2016).</li>
<li>Schlögl, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytic+Synthesis+of+Ammonia-A+%22Never-Ending+Story%22%5BTitle%5D)+AND+%22Ange+Chemie+Int+Ed%22%5BJournal%5D)">Catalytic Synthesis of Ammonia-A "Never-Ending Story".</a> Ange Chemie Int Ed. 42 (18), 2004-2008 (2003).</li>
<li>Dyson, D. C., Simon, J. M. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/i160028a013">Kinetic Expression with Diffusion Correction for Ammonia Synthesis on Industrial Catalyst.</a> Ind Eng Chem Fund. 7 (4), 605-610 (1968).</li>
<li>Temkin, M., Pyzhev, V. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie051398g">Kinetics of ammonia synthesis on promoted catalysts.</a> Acta Physiochim USSR. 12, 327-356 (1940).</li>
<li>Annable, D. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250952870113">Application of the Temkin kinetic equation to ammonia synthesis in large-scale reactors.</a> Chem Eng Sci. 1 (4), 145-154 (1952).</li>
<li>Guacci, U., Traina, F., Ferraris, G. B., Barisone, R. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/i260062a002">On the Application of the Temkin Equation in the Evaluation of Catalysts for the Ammonia Synthesis.</a> Ind Eng Chem Prod DD. 16 (2), 166-176 (1977).</li>
<li>Hummelshøj, J. S., Sørensen, R. Z., Kustova, M. Y., Johannessen, T., Nørskov, J. K., Christensen, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+nanopores+during+desorption+of+NH3+from+Mg%28NH3%296Cl2%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Generation of nanopores during desorption of NH3 from Mg(NH3)6Cl2.</a> J Am Chem Soc. 128 (1), 16-17 (2006).</li>
<li>Huberty, M. S., Wagner, A. L., McCormick, A., Cussler, E. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.13744/abstract">Ammonia absorption at haber process conditions.</a> AIChE Journal. 58 (11), 3526-3532 (2012).</li>
<li>Himstedt, H. H., Huberty, M. S., McCormick, A. V., Schmidt, L. D., Cussler, E. L. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.14733/abstract">Ammonia synthesis enhanced by magnesium chloride absorption.</a> AIChE Journal. 61 (4), 1364-1371 (2015).</li>
<li>Malmali, M., Wei, Y., McCormick, A., Cussler, E. L. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.6b01880">Ammonia Synthesis at Reduced Pressure via Reactive Separation.</a> Ind Eng Chem Res. 55 (33), 8922-8932 (2016).</li>
<li>Wagner, K., Malmali, M., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.15685/abstract">Column absorption for reproducible cyclic separation in small scale ammonia synthesis.</a> AIChE Journal. , (2017).</li>
</ol>

המחברים אין לחשוף.

שלבים קריטיים על מנגנוני הקליטה-התגובה ניסיוני:
ודא שאין טומאה אין במערכת חנקן ומימן. החומרים סופג ישתנה לאחר כל מחזור. ברוב המקרים, בטמפרטורה גבוהה, בנוכחות אמוניה, חומרי ספיגה נתיך ויוצרים גדולים רצפת בטון מוצק. על פי המאפיינים התרמודינמית של כל מטאל-הליד, ammine מורכבים, הטמפרטורות המתאימות עבור קליטה ו- desorption צריך להיות מועסק. לפני כל בדיקה, הירידה בלחץ בכל המערכת (בולם, כור, צינורות, שסתומים, ריהוט, וכו ') צריך להיבדק, כדי לוודא כי recirculation לולאה, בולם או כור הם לא הטלת לח...

אמוניה היא חומר כימי תעשייתי מפתח. הוא מיוצר בתהליך הבר – בוש, אשר ידוע בתור אחד החידושים החשובים ביותר של 20ה המאה1,2. אמוניה הסינתזה מתבצעת בנוכחות זרז הטרוגנית בטמפרטורות גבוהות (&#62; 375 ° C), לחצים (&#62; בר 100)3. דרישות טמפרטורה ולחץ גבוהים להפוך אמוניה סינתזה מאוד אנרגיה - ו capital-intensive. כ, 150 מיליון טון של אמוניה מיוצרים כל שנה4, עובייה 1-3% מצריכת האנרגיה של העולם, 5% מצריכת הגז הטבעי, עד 3% של שינוי האקלים גז הפליטה5,6, 7.
אמוניה יש שני שימושים פוטנציאליים הגדולות. ראשית, אמוניה הוא דשן סינטטי חנקן1. בלי זה דשן, חצי מהאוכלוסייה הנוכחית לא תהיה גישה מספיק אוכל. שנית, אמוניה יכול לשמש וקטור אנרגיה, או דלק נוזלי לנייטרלי פחמנית או כמו מימן עקיף המוביל8,9,10,11. בדרך כלל, משאבים מתחדשים (למשל רוח) זמינים באזורים כפריים underpopulated, שבו אפשר ללכוד; סוג זה של אנרגיית הרוח מבודד, השמש נקרא "תקועים". בתרחיש זה, האנרגיות תרמי וחשמלי ממקור אנרגיה מתחדשת מומרים צפיפות האנרגיה אמוניה נוזלית לנייטרלי פחמנית. אמוניה נוזלית המיוצר ואז יוכלו להישלח במרכזים עירוניים, שבו ניתן להשתמש ישירות בתאי דלק אמוניאק12 ו מנועי בעירה פנימית13, או שזה יכול להיות מפורקת לתוך מימן, לאחר מכן ניתן להשתמש בתאי דלק מימן או תחנות מימן. כתוצאה מכך, אנחנו יכולים לעבור את הרוח של הערבות ארה ב באזורים עירוניים צפופים של ארה ב
בעיקר בשל השימוש בדשן, לייצור אמוניה היא כבר לתעשייה. בטמפרטורת החדר, התגובה סינתזה אמוניה היא אקסותרמית ולכן — לפחות עקרונית — ספונטנית14, עם זאת, השגת התגובה בתנאי הסביבה היא קשה מאוד בגלל הקשר חזק חנקן-חנקן 15. להתגבר על זה, פריץ האבר ששלושתנו המשמש בטמפרטורות גבוהות להשגת קינטיקה מהר, אבל בטמפרטורות גבוהות אלה התכוון כי התגובה הפוכה עכבות הייצור. כדי להפחית את העכבות של תגובה הפוכה, הבר שימוש בלחץ גבוה כדי לשפר את ההמרה. הוא ביצע את התגובה בקנה מידה גדול בתוך חבית האקדח, אשר עדיין מעטר את המפעל כ- BASF לודוויגסהפן.
הצורך להשתמש בטמפרטורה גבוהה והן ללחץ כאשר התגובה עלול להיות מסוגל להפעיל בתנאים צנועים הרבה יותר יש כימאים מתוסכל עבור המאה ה2. גם לאחר התהליך היה commercialized, קרל בוש, עמית ענק כ- BASF מתערבלים באמצעות הטבלה המחזורית כולו מחפש זרזים טוב יותר. בעוד בוש היה הצלחה, החיפוש עדיין נמשך אפילו בשנה שעברה, תוכנית מחקר חדשה שמטרתה המבקשים זרז חדש היה יזם16,17. הכימיה מפורט של אמוניה סינתזה עכשיו מובן היטב14, אם החיפוש אחר הזרז החדש הוא מוצלח, זה בהחלט יהיה שווה את המאמץ. עם זאת, לדעתנו, הכישלונות האחרונים להקטין את הסיכוי של ההצלחה בעתיד.
הטקסט הבא, מתואר תהליך סינתזה אמוניה בקנה מידה קטן, המוטיבציה לחקור את תהליך חלופי מבואר.
תהליך בקנה מידה קטן:
אמוניה שנוצרו על-ידי רוח אנחנו משתפרים תהליך הבר-בוש Bosch – עבור סינתזה אמוניה, המבקשים תהליך הרבה יותר קטן, פשוט יותר, אשר יכול להיות מופעל באופן מקומי אלא מייצרת כמות זניחה של פחמן דו-חמצני. הכדאיות של ייצור מקומי אמוניה רוח כבר הוכח ב צמח פיילוט ממוקם מוריס, MN, המוצגת באיור 118. מוריס יושב על הרכס תאו, היווצרות של שישים קילומטרים של גבעות בפינה הדרום-מערבית של מינסוטה. הרכס יש רוח חריג יציב, חזק, מתגלגל ברחבי הערבה. כתוצאה מכך, זה מכה עבור החשמל שנוצר על-ידי רוח.
עם החשמל, אנחנו כבר מייצרים אמוניה רוח, בעזרת צמח זה אשר הוא ארבעים אלף פעמים יותר מאשר פעולות מסחריות קיימות עבור דלקים מאובנים. כמה החשמל שנוצר על-ידי הרוח היא נהגה להכין חנקן מן האוויר על ידי לחץ הנדנדה ספיחה, שיטה הוקמה עבור ההפרדה האוויר נעשה שימוש, לדוגמה, עבור חולים עם אמפיזמה צריכה אוויר מועשר בחמצן. עם זאת, יותר של החשמל משמש כדי להפוך מימן על ידי אלקטרוליזה של מים. גזים אלה משולבים מעל זרז קונבנציונאלי בתהליך סכמטי באיור 2. אחרי התגובה, הגזים מופרדים באמצעות מצמרר לתמצת את אמוניה נוזלית. גזים unreacted, כמו גם את אמוניה uncondensed, הם ממוחזרים.
פרטים של הצמח פיילוט בצמח הטייס שלנו, אוניברסיטת מינסוטה מתחדשת ומימן אמוניה פילוט, החשמל מסופק מן שיתוף ממוקם MW 1.65 טורבינת רוח. הצמח הטייס משתמש כ- 10% של הכוח שנוצר, עם הכוח שנותר בשימוש ב אוניברסיטת מינסוטה, מוריס הקמפוס.
המערכת לייצור מימן משתמש של electrolyzer, מדחס המאיץ chiller תרמי. מערכת זו מייצרת 0.54 ק ג של גז מימן לשעה, המאוחסן ב- psi 2,400 באמצעות 24 קוט ש חשמל. מים מן הבאר באתר מטוהרים באמצעות מערכת אוסמוזה ו- deionization הפוך. המים מסופקים ואז electrolyzer בשיעור של עד 15 ליטר/ה שהחנקן מופק באמצעות מחולל חנקן, מדחס אוויר קדם, מייבש אוויר למדחס המאיץ. גז חנקן מאוחסן ב- psi 2,400 באמצעות כ 6 וואט של חשמל.
הסינתזה של אמוניה משתמש של החלקה מותאם אישית. הוא כולל מדחס, כור, לולאה קירור קירור ותנור חשמלי 20 kW. זהו משתמש כ 28 וואט של חשמל כדי לייצר 2.7 ק ג של אמוניה לשעה שבו מאוחסנת לאחר מכן-150 psi. תהליך הייצור אמוניה נשלטת עם מערכות משולבות PLC ו- HMI. חנקן ומימן המיוצר מאוחסנים באתר ב 18 stora חנקןג ' נרל אלקטריק טנקים ו 54 מיכלי אחסון מימן. התרכובת הכימית היא גם הבמקום המאוחסן בתוך ספינת 3,100 גלון.
רוח הדור הוא היקר החשמל עבור תהליך זה עשוי רוח, אז הדלק לייצור אמוניה היא בחינם, ללא שימוש ללא דלק מאובנים. עם זאת, עלויות ההון עבור מתקן הפיילוט הזה נשלטים על ידי ההשקעות עבור הפקת מימן, סינתזה של אמוניה. הפעולות עד כה מראים כי עלות ביצוע אמוניה בקנה מידה קטן הם על כפול מזה של אמוניה קונבנציונאלי המבוסס על דלקים פוסיליים. בעוד אנו ממשיכים לייעל את התהליך שלנו, אנו מאמינים כי הרוח בקנה מידה קטן שנוצר אמוניה לא יהיו תחרותיים במחירים הנוכחיים גז טבעי. בירת עלויות אמוניה מסת גרם יופחת מתהליך קונבנציונלי רחב יותר, או על ידי תהליך חלופיים ככה תיאר הבא במאמר זה.
תהליך הקליטה:
הספיגה מגביר את הייצור הזרז המשמשים סינתזה אמוניה נותר כמעט ללא שינוי במהלך המאה האחרונה19. כתוצאה מכך, אנחנו ביצעו גישה שונה במחקר זה. החל את הזרז הנוכחי לטמפרטורת ההפעלה, אך אנו סופגים אמוניה-לחצים צנוע ברגע זה נוצר. אנחנו ממחזרים כל unreacted מימן וחנקן. התהליך הוא סכמטי ככה איור 3, דומה לתהליך קונבנציונלי, אבל עם בולם מיטה ארוזה החלפת מעבה.
התגובה הראשונית קינטיקה לא משתנים ניסויים עם המערכת ב המרה נמוך להראות על קצב התגובה הראשונית עקבי עם רבים מהמחקרים קודמות על זו מערכת3,14,15,20,21 , 22 , 23, כפי שמוצג באיור4. החלונית השמאלית מציגה את המחירים הראשונית, המשתנות חריפה עם טמפרטורה. בעוד המחירים הללו גם להשתנות עם לחץ, הווריאציות הם קטנים יותר, כפי שמוצג בלוח הימני. בתהליך החדש שלנו, אנחנו להשתמש באותו זרז דומים לתנאי התפעול, אבל לחפש דרכים כדי לשפר את ייצור אמוניה באמצעות בליעה, בלחץ נמוך. אנו מקווים ובכך להפחית את עלויות ההון של אמוניה סינתזה.
הספיגה מגביר את ההמרה בעבודתנו, החלפנו את מעבה בתהליך קטן עם מיטת ארז, אשר הוא כלי גלילי מלא עם חלקיקים קטנים של כושר ספיגה. הדגישו אנחנו סופגים בעיקר של מגנזיום כלוריד, סידן כלורי11,24. סופגים ammine כאלה יש שני אפקטים. ראשית, הם להפחית את ריכוז אמוניה נוכחות גזים ממוחזר כדי קרוב לאפס. שנית, הם ביעילות להפחית את הזמן עבור הפרדה זו קרוב לאפס. אסטרטגיה זו הוא פרודוקטיבי25,26,27. לדוגמה, באיור 5, אנו מראים כי קצב ביצוע אמוניה, אשר הוא יחסי ירידה הלחץ הכולל במערכת, היא הרבה יותר גדולה עם קליטה מאשר בלי. בפרט, התגובה בבר 90, המוצגת על-ידי העיגולים האדומים, השלמת פחות מאשר התגובה עם כושר ספיגה, שהראה את המשולשים הכחולים27. זה נכון למרות התגובה ללא ספיגה מתקיים, בלחץ כמעט כפול מזה של התגובה עם קליטה. בניסויים קודמות (לא מוצג כאן), אנחנו גם הראו כי ההמרה בסופו של התהליך הוא כ- 20% ללא ספיגה אבל מעל 95% עם כושר ספיגה.
הקצב של התגובה משתנה הרבה פחות עם טמפרטורה עם קליטה מאשר בלעדיו. זה מוצג באיור 6, הכפוף שוב אמוניה סינתזה כמו ללחץ מוחלט לעומת זמן27. שינוי הטמפרטורה התגובה על ידי 60 ° C יש השפעה מועטה על קצב התגובה. זה מנוגד התעריפים הראשונית איור 4, אשר מראה שינוי קצב התגובה של כמעט בסדר גודל. התוצאות איור 4 , איור 6 הן שונות כי השפעת התגובה הפוכה הופחת, כך קינטיקה כימית הם כבר לא אחראי על הקצב הכולל צעד אחד בלבד.

<table><tbody><tr><td><חזק>מכשיר ניסיוני</חזק></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>מגנזיום כלוריד</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>7786-30-3</td><td>סנט לואיס, MO</td></tr><tr><td>סידן כלוריד</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>10043-52-4</td><td>סנט לואיס, MO</td></tr><tr><td>מתסון מימן טהור במיוחד</td><td></td> SG <td>PHYF30050</td><td>ניו ברייטון, MN</td></tr><tr><td>חנקן טהור במיוחד</td><td>מתסון</td><td>SG G1881112</td><td>ניו ברייטון, מינסוטה</td></tr><tr><td>זרז מבוסס ברזל</td><td>Clariant / Sud Chemie-Charlotte</td><td></td><td>, NC</td></tr><tr><td>משאבת בוכנה משתנה</td><td>PumpWorks Inc.</td><td>PW2070N</td><td>מיניאפוליס, MN</td></tr><tr><td>מחמם קרמי אומגה</td><td>אומגה</td><td>CRFC-36/115-A</td><td>סטמפורד,</td></tr><tr><td>בקר CT PID</td><td>אומגה</td><td>CN96211TR</td><td>סטמפורד,</td></tr><tr><td>מרכך אותות</td> CT <td>אומגה</td><td>DRG-SC-TC</td><td>סטמפורד,</td></tr><tr><td>מתמר לחץ</td> CT <td>WIKA</td><td>50426877</td><td>לורנסוויל, ג'ורג'יה</td></tr><tr><td>בקר זרימת מסה</td><td>ברוקס מכשירים</td><td>SLA5850</td><td>Hatefield, PA</td></tr><<tr><td>strong>Name</td><td>Company</td><td>Catalog Number</td><td>Comments</strong</td></tr><tr><td>>Pilot Plant</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Electrolyzer</td><td>Proton OnSite</td><td>H6</td><td>Series Wallingford, CT</td></tr><tr><td>Gas Booster</td><td>מכונת PDC</td><td>3 2500&nbsp;</td><td>וורמינסטר, פנסילווניה</td></tr><tr><td>טורבינת רוח</td><td>Vestas</td><td>V82</td><td>פורטלנד, או</td></tr><tr><td>צ'ילר</td><td>טיפול תרמי</td><td>SQ סדרת</td><td>ניילס, IL</td></tr><tr><td>מטהר מים</td><td>Elga Pure Lab</td><td>S-15</td><td></td></tr><tr><td>מחולל חנקן</td><td>מערכת גז חדשנית</td><td>NS-10</td><td>Huoston, TX</td></tr><tr><td>מדחס אוויר</td><td>Hydrovane</td><td>HV05</td><td></td></tr></tbody></table>

סינתזה אמוניה בלחץ נמוך

Ammonia Synthesis at Low Pressure

יכול להיות מסונתז אמוניה בלחץ נמוך על ידי שימוש ספיגה סלקטיבי אמוניה. התהליך יכול להיות מונע עם אנרגיית הרוח, זמינים באופן מקומי באזורים הדורשים אמוניה לדישון סינתטי. אנרגיית רוח כזה נקרא "תקועים", לעתים קרובות כי זה זמין רק רחוק ריכוזי אוכלוסייה שבו הוא יכול ישירות לשמש.
בתהליך המוצע לחץ נמוך, חנקן מהאוויר באמצעות לחץ הנדנדה הקליטה, ונוצר מימן מופק על ידי אלקטרוליזה של מים. בזמן גזים אלה יכול להגיב כ 400 מעלות צלזיוס בנוכחות זרז קונבנציונאלי בדרגה, ההמרה לעיתים קרובות מוגבל על ידי התגובה הפוכה, מה שהופך את התגובה הזו אפשרית רק בלחצים גבוהים. מגבלה זו ניתן להסיר על ידי הקליטה על ammine כמו סידן או מגנזיום כלוריד. כזה הלידים מתכת אלקליין ניתן להסיר ביעילות אמוניה, ובכך לדכא את האילוצים שיווי משקל של התגובה. בתהליך סינתזה אמוניה קליטה משופרת המוצע, הקצב של התגובה ואז ניתן לשליטה קינטיקה כימית ולא שיעור הספיגה, אלא לפי הקצב של מיחזור גזים unreacted. התוצאות להשוות לטובה עם אמוניה זני מידה קטן קונבנציונאלי תהליך הבר-בוש – Bosch.

מפעל פיילוט במוריס, MN הוכיח את הכדאיות של שימוש רוח עבור ייצור אמוניה המקומי18, כפי שמוצג באיור1. הרוח מפיקה חשמל, אשר נמצא בשימוש כדי להפוך חנקן ומימן את ספיגת הנדנדה לחץ אוויר ולפנים של אלקטרוליזה של מים, בהתאמה. כור משתמשת זרז קונבנציונאלי לשלב הגזים חנקן ומימן, ביצוע אמוניה. התרכובת הכימית ואז מופרדת באמצעות הקבל.
השיטה המתוארת כאן כולל תהליך למחזר כל unreacted מימן וחנק...

יכול להיות מסונתז אמוניה בלחץ נמוך באמצעות זרז קונבנציונלי וספיגה סלקטיבי של אמוניה.

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 ...

המטרה הכוללת של פרוצדורה זו היא להפיק אמוניה מאוויר, מים ואנרגיה הנוצרת ברוח בתהליך בלחץ נמוך עם פליטות זניחות של פחמן דו-חמצני. שיטה זו יכולה לסייע בטיפול בסוגיות מרכזיות בייצור אמוניה, כגון יעילות התגובה, התפלגות המוצר ופליטות פחמן דו-חמצני. התהליך משתמש בסופח מוצק שנבחר לאמוניה במקום במעבה.הסרה מתמדת של אמוניה מהמערכת מפחיתה את התרחשות התגובה הכימית ההפוכה. היתרון העיקרי של תהליך זה הוא שניתן לבצעו בלחץ נמוך יותר, דבר שהוא בטוח ופחות יקר. קורי מרקוורט ואני מפעילים מפעל לתהליך הקונבנציונלי שגודלו קטן פי 30,000 ממפעלים טיפוסיים.דבר זה מספק סטנדרט להשוואה מול תהליך הבליעה. מייק ריס וקורי מרקוורט מפעילים את המפעל הקונבנציונלי בקנה מידה קטן במוריס, מינסוטה. את התהליך המבוסס על בליעה ידגים מהדי מלמלי, עמית פוסט-דוקטורט המשויך למעבדה שלנו.לפני תחילת התהליך, הפעילו את מתקן ייצור האמוניה והעלו את טמפרטורת הכור הקטליטי ל-440 °C. הגדירו את טמפרטורת המעבה ל-18- °C. לאחר מכן, הפעילו את מייבש האוויר, את מדחס האוויר ואת מחולל החנקן.הפעילו את מגביר גז החנקן כדי למלא את מיכלי אספקת החנקן. הפעילו את הצ'ילר, יחידת דה-יוניזציית המים, האלקטרוליזר ומגביר גז המימן. ודאו שהצ'ילר פעיל וcano שנוזל הקירור זורם.כעת, כוון את ווסת כניסת החנקן ל-300 PSI. פתח את שסתום החנקן כדי להתחיל להגביר את הלחץ ביחידת העיבוד (process skid). סגור את שסתום המעקף של החנקן כאשר היחידה תגיע ל-300 PSI.לאחר מכן, הגדירו את ווסת כניסת המימן ל-1,200 PSI ופתחו את שסתום המימן. ברגע שהמסד (skid) מגיע ל-1,200 PSI, סגרו את שסתום המימן. הפעילו את המסד כדי להתחיל את מחזור תערובת הגז של חנקן למימן ביחס של אחד לשלוש דרך המערכת.לאחר סיום התהליך, יש לאחסן את האמוניה המרוכזת בלחץ של 150 PSI. להכנת הריאקטור, השתמשו במכתש ופסטקה כדי לטחון את חלקיקי הזרז לגודל של פחות ממילימטר אחד. ארזו את הזרז הטחון לתוך צינורית בקוטר 0.25-inch.כדי להכין את הבולע, ארזו 80 גרם של calcium chloride או כמות שוות ערך של חומר בולע אחר הסלקטיבי לאמוניה לתוך עמודה באורך 30 סנטימטרים וקוטר פנימי של 2.3 סנטימטרים. אטמו את קצות העמודה עם חומר תמיכה מתאים לאריזה כדי לקבע את החומר הבולע. התקינו את הבולע ואת הריאקטור במי apparatus הניסויי.חממו את הכור ל-450 מעלות צלזיוס תוך שימוש בפרוצדורת טמפרטורת ההפעלה המומלצת, תוך זרימה של מימן דרך הכור בקצב של 500 SCCM כדי להשלים את הפעלת הזרז. שמרו על הזרז המופעל תחת שכבת גז חנקן בדרגת טוהר גבוהה (ultra-pure) כאשר המערכת אינה בשימוש. כדי להתחיל בתהליך ייצור האמוניה, סגרו את שסתום היציאה והעלו את טמפרטורת הכור ל-400 מעלות צלזיוס ואת טמפרטורת הסופח ל-180 מעלות צלזיוס.שטפו את המערכת בגז חנקן במטרה להוציא חלקיקים, על ידי דיווח חוזר של לחץ ושחרורו מהמערכת. לאחר מכן, הגבירו את הלחץ במערכת באמצעות תערובת של גזי חנקן ומימן ביחס של 1:3. הפסיקו את פעולת בבקרי זרימת המסה של החנקן והמימן.סגור את שסתום הכניסה של הכור. פתח את שסתום היציאה של הכור והפעל את משאבת הרסירקולציה. עקוב אחר הטמפרטורות של הכור והסופח עם תחילת התגובה וכוון אותן לפי הצורך כדי לפצות על תהליכים אקסותרמיים.הפעילו את התהליך למשך חמש שעות או עד שהסופח יתחיל להגיע לרוויה (breakthrough), כפי שניתן לזהות על ידי ירידה בשינוי בלחץ המערכת לאורך זמן. פתחו את שסתום כניסת החנקן ואת שסתום יציאת האמוניה והורידו את לחץ המערכת ללחץ אטמוספירי. העבירו זרימה של חנקן דרך המערכת בקצב של 100 SCCM תוך חימום הסופח למשך חמש שעות לשחרור האמוניה.הלחצים הגבוהים המשמשים בשיטה הקונבנציונלית נחוצים כדי להעדיף את התגובה קדימה בטמפרטורות גבוהות. בשיטת ההפרדה בלחץ נמוך, האמוניה מופרדת באופן מלא יותר לפני שתוכל לעבור את התגובה ההפוכה. נצפתה עלייה משמעותית בקצב ההמרה ביחס לשיטה הקונבנציונלית.שיעורי התגובה הראשוניים של שיטת ההפרדה היו עקביים עם ערכים שפורסמו ועם ניסויי קינטיקה כימית נפרדים. נצפתה השפעה של שינויי טמפרטורה על שיעורי התגובה הראשוניים של שיטת ספיגת התגובה. שיעור התגובה הכולל הראה תלות נמוכה בהרבה בטמפרטורה, מה שמעיד כי שיעור התגובה הקטליטית אינו גורם מגביל מרכזי לקצב ההמרה בשיטת ההפרדה.הספיג הסיר ביעילות את האמוניה מהמערכת, אך קיבולת העמודה פחתה לאחר כל מחזור. מחקר להארכת חיי עמודת הספיגה נמצא בעיסוק. נמצא כי קינטיקת הספיגה לא מהווה גורם מגביל משמעותי לייצור האמוניה.נמצא כי קצב זרימת ההסירקולציה נמצא במתאם עם קצב התגובה, מה שמעיד על כך שזהו השלב השולט העיקרי בתהליך. תהליך זה יכול לייצר אמוניה מאוויר, מים ורוח. האוויר והמים מהווים מקורות לחנקן ולמימן באמצעות ספיחה בשינוי לחץ ואלקטרוליזה, בהתאמה.האנרגיה לתהליך מגיעה מהרוח. תהליך האבר-בוש (Haber-Bosch) הוא תגובה בת מאה שנה המזינה חלק נכבד מאוכלוסיית העולם. ניסיונות לשפר אותו כרוכים בסיכון גבוה ובפוטנציאל לתגמול גבוה.הרעיון המקורי שלנו לעבודה זו היה להפוך את החוות המשפחתיות במחוז מינסוטה הכפריים לעצמאיות יותר באספקת דשן החנקן שלהן. ההבטחה לדלק עבור ערים הסובלות ממחסור באנרגיה, באמצעות אגירת אנרגיה מרוח כאמוניה נוזלית, הייתה תועלת בלתי צפויה. המפתח לתהליך המבוסס על ספיחה הוא פיתוח סופח יציב וניתן לשימוש חוזר, הלוכד ביעילות אמוניה בעת ייצורה.על ידי החלפת המעבה הקונבנציונלי במיטת ספיגה, אנו קרובים יותר לתהליך ייצור אמוניה זול ובטוח יותר, המתאים לייצור בקנה מידה קטן.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

במסמך הנהלים לפלזמה משופרת שיקוע הכימי של perfluoroalkanes על חומרי microporous כגון מסגרות מתכת אורגנית כדי לשפר את היציבות והידרופוביות שלהם מתוארים. יתר על כן, בדיקת פריצת דרך של כמויות מיליגרם של דגימות מתוארת בפירוט.

הכנת מסגרות מתכת אורגנית הידרופובי באמצעות פלזמה משופרת שיקוע הכימי של Perfluoroalkanes להסרת אמוניה

אמוניה היא מטבוליט פיזיולוגי חשוב הרלוונטי למצבי מחלה ובריאות שונים. זוהי גם מולקולה קשה למדידה בנשימה, מה שדורש לנקוט באמצעי זהירות מיוחדים כדי להשיג תוצאות מדויקות. לא כל הגורמים המשפיעים על אמוניה ידועים, אך ההתקדמות יכולה להיות קשה מבלי לקחת בחשבון גורמים אלה.

מדידת אמוניה מהירה ומדויקת נשף נשימה

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לסינתזה של CH3NH3אני ו- CH3NH3Br מבשרי ואת היווצרות נטולת חריר, רציף CH3NH3מפ ל3-xBrx דק סרטים עבור הבאים יישום של תאים סולריים יעילות גבוהה והתקנים אחרים מעגל.

תהליך הפתרון בסיוע אדי לחץ נמוך הלהקה Tunable הפער חריר נטול עופרת Methylammonium הליד פרוביסקיט הסרטים

אמוניה התפשטות סיבים (AFEX) היא טכנולוגיה טרום טיפול כימי שיכול להמיר ליגנותאית ביומסה (למשל, תירס stover, קש אורז, ו קנה סוכר בגאסה) לתוך הזנה לעיכול מאוד עבור שני ביולוגי ובעלי חיים להאכיל יישומים. כאן, אנו מתארים שיטה בקנה מידה מעבדה לניהול טרום הטיפול AFEX על ביומסה lignoתאית.

אמוניה הרחבת סיבים (AFEX) טרום טיפול של ליגנותאית ביומסה

כאן אנו מציגים פרוטוקול לביצוע תגובות התגובה פשוט כלי תחת לחצים נמוכה עד בינונית של CO2. התגובות יכול להתבצע במגוון כלי פשוט על-ידי ניהול הפחמן הדו חמצני בצורה של קרח יבש, ללא הצורך בציוד יקר או משוכללים או set-ups.

להשגת לחצים מתונה בכלי אטום באמצעות קרח יבש כמקור2 CO מוצק

סדרה של שיטות כדי לקבוע את שיעור DNRA פוטנציאלי מבוסס על 14NH4+/15NH4+ ניתוחים מסופק בפירוט. NH4+ מומר N2O באמצעות מספר שלבים וניתח באמצעות ספקטרומטריה גז quadrupole כרומטוגרפיה-מסה.

מדידה של שיעורי חנקה דיספילציה הפחתת אמוניום מבוסס על 14NH4+/15NH4+ ניתוחים באמצעות המרה רציפים N2O

אנו מספקים תיאור מפורט של השלבים הנדרשים כדי להרכיב תא בלחץ גבוה, להגדיר ולתעד ניסויי NMR בלחץ גבוה, ולבסוף לנתח הן את עוצמת השיא והן שינויים במשמרות כימיות תחת לחץ. ניסויים אלה יכולים לספק תובנות חשובות על המסלולים המתקפלים והיציבות המבנית של חלבונים.

ניסויי NMR בלחץ גבוה לאיתור מצבים קונפורמציה נמוכים של חלבון

כאן אנו מציגים פרוטוקול לסינתזה של ננו-חלקיקי Co הנתמכים בננו-צינוריות פחמן עם דופנטים Co ו-N לייצור מימן.

סינתזה של ננו-חלקיקי מתכת הנתמכים על ננו-צינוריות פחמן עם אטומי Co ו-N מסוממים ויישומיה הקטליטיים בייצור מימן

אנחנו מסונתז בצורת כוכב זהב nanostars באמצעות זרע כסף בתיווך שיטת הגידול. קוטר nanostars נע 200-300 ננומטר ומספר טיפים להשתנות 7-10. חלקיקים יש משטח רחב תהודה plasmon מצב ממוקדת האינפרא אדום הקרוב.

זהב Nanostar סינתזה עם שיטת Seed כסף מתווכת צמיחה

פרוטוקול זה מתאר את הגירוי של fibroblasts בתרבית עם אולטרה סאונד בעוצמה נמוכה פעמו, המניע ליצירת מוקדי הידבקות ו Rac1 ההפעלה על ידי חיקוי האירוסין של הקולטן הטרנסממברני מטריקס, syndecan-4. גישה זו מאפשרת חקירה של טכניקה קליני מוצלח ברמה התאית, ובכך לספק הזדמנויות עידון של טיפול.

אינדוקציה של אותות הדבקה תלויי שימוש בעוצמה נמוכה אולטראסאונד

למד סינתזת אמוניה בלחץ נמוך באמצעות סופח מוצק סלקטיבי ואנרגיית רוח. שיטה זו מפחיתה פליטות פחמן דו-חמצני ומשפרת יעילות תגובה בהשוואה לשיטות מסורתיות.

סינתזה אמוניה בלחץ נמוך

גלה סרטונים נוספים