סינתזה אמוניה בלחץ נמוך

המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר אמוניה מאנרגיה המופקת מאוויר, מים ורוח בתהליך בלחץ נמוך עם פליטת פחמן דו חמצני זניחה. שיטה זו יכולה לסייע בטיפול בסוגיות מפתח בייצור אמוניה כגון יעילות תגובה, הפצת מוצרים ופליטת פחמן דו חמצני. התהליך משתמש בסופג מוצק שנבחר על ידי אמוניה ולא במעבה.

הסרה מתמדת של אמוניה מהמערכת מפחיתה את התרחשות התגובה הכימית ההפוכה. היתרון העיקרי של תהליך זה הוא שהוא יכול להתבצע בלחץ נמוך יותר, שהוא בטוח יותר ופחות יקר. קורי מרקוורט ואני מפעילים מפעל לתהליך הקונבנציונלי שהוא קטן פי 30,000 מצמחים טיפוסיים.

זה נותן סטנדרט להשוואה עם תהליך הספיגה. מייק ריס וקורי מרקוורט מפעילים את המפעל הקונבנציונלי בקנה מידה קטן במוריס, מינסוטה. מי שידגים את התהליך המבוסס על קליטה יהיה מהדי מלמלי, פוסט-דוקטורנט הקשור למעבדה שלנו.

לפני תחילת התהליך, הפעל את מפעל ייצור האמוניה והגביר את הכור הקטליטי ל-440 מעלות צלזיוס. הגדר את טמפרטורת הקבל למינוס 18 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, הפעל את מייבש האוויר, מדחס האוויר ומחולל החנקן.

הפעל את מאיץ גז החנקן כדי למלא את מיכלי אספקת החנקן. הפעל את הצ'ילר, יחידת דה-יוניזציה של מים, אלקטרוליזר ומאיץ גז המימן. ודא שהצ'ילר פועל ונוזל הקירור זורם דרכו.

לאחר מכן הגדר את ווסת כניסת החנקן ל-300 PSI. פתח את שסתום החנקן כדי להתחיל ללחוץ על החלקת התהליך. סגור את שסתום מעקף החנקן כאשר ההחלקה מגיעה ל-300 PSI.

לאחר מכן, הגדר את ווסת כניסת המימן ל-1, 200 PSI ופתח את שסתום המימן. ברגע שההחלקה מגיעה ל-1, 200 PSI, סגור את שסתום המימן. התחל את ההחלקה כדי להתחיל לרכוב על תערובת גז החנקן למימן דרך המערכת.

לאחר סיום התהליך, אחסן את האמוניה המרוכזת ב-150 PSI. כדי להכין את הכור, השתמש במכתש ועלי כדי לטחון את חלקיקי הזרז לגודל של פחות ממילימטר אחד. ארוז את זרז הקרקע לצינורות בגודל 0.25 אינץ'.

להכנת הבולם, ארזו 80 גרם סידן כלורי או כמות שווה ערך של סופג אמוניה סלקטיבי אחר לעמודה של 30 סנטימטר בקוטר פנימי של 2.3 סנטימטרים. חבר את קצות העמוד בחומר תומך אריזה מספיק כדי לשתק את הסופג. התקן את הבולם ואת הכור במנגנון הניסוי.

מחממים את הכור ל-450 מעלות צלזיוס באמצעות הליך טמפרטורת ההפעלה המומלץ תוך הזרמת מימן דרך הכור ב-500 SCCM כדי לסיים את הפעלת הזרז. שמור את הזרז המופעל מתחת לשמיכה של גז חנקן טהור במיוחד כאשר המערכת אינה פעילה. כדי להתחיל בתהליך ייצור האמוניה, סגור את שסתום היציאה והגביר את הכור ל-400 מעלות צלזיוס ואת הבולם ל-180 מעלות צלזיוס.

שטוף את המערכת בגז חנקן טהור במיוחד על-ידי הפעלת לחץ ואוורור חוזרים ונשנים של המערכת. לאחר מכן, לחץ על המערכת בתערובת אחת עד שלוש של גזי חנקן ומימן. עצור את בקרי זרימת מסת החנקן והמימן.

סגור את שסתום כניסת הכור. פתח את שסתום יציאת הכור והפעל את משאבת המחזור. עקוב אחר טמפרטורות הכור והבולם עם תחילת התגובה והתאם אותן לפי הצורך כדי לפצות על תהליכים אקסותרמיים.

הפעל את התהליך במשך חמש שעות או עד שהבולם מתחיל לפרוץ כפי שמצוין על ידי ירידה בשינוי בלחץ המערכת לאורך זמן. פתח את שסתום כניסת החנקן ואת שסתום יציאת האמוניה והפחית את המערכת ללחץ אטמוספרי. הזרמת חנקן דרך המערכת ב-100 SCCM תוך חימום הבולם למשך חמש שעות לשחרור האמוניה.

הלחצים הגבוהים המשמשים בשיטה הקונבנציונלית נחוצים כדי להעדיף את התגובה קדימה בטמפרטורות גבוהות. בשיטת ההפרדה בלחץ נמוך, האמוניה מופרדת לחלוטין לפני שהיא יכולה לעבור את התגובה ההפוכה. נצפתה עלייה משמעותית בשיעור ההמרה ביחס לשיטה הקונבנציונלית.

שיעורי התגובה הראשוניים של שיטת ההפרדה היו עקביים עם ערכים שפורסמו וניסויי קינטיקה כימיים נפרדים. שונות טמפרטורה נצפתה בשיעורי התגובה הראשוניים של שיטת ספיגת התגובה. קצב התגובה הכולל הראה הרבה פחות תלות בטמפרטורה, מה שמצביע על כך שקצב התגובה הקטליטית אינו גורם מגביל עיקרי לשיעור ההמרה בשיטת ההפרדה.

הסופג הסיר ביעילות את האמוניה מהמערכת, אך קיבולת העמודה פחתה לאחר כל מחזור. חקירה להארכת חיי העמוד הסופג בעיצומה. קינטיקה של הספיגה לא נמצאה כגורם מגביל משמעותית לייצור אמוניה.

קצב זרימת המחזור נמצא בקורלציה עם קצב התגובה, מה שמצביע על כך שזהו שלב הבקרה העיקרי לתהליך. תהליך זה יכול לייצר אמוניה מאוויר, מים ורוח. האוויר והמים הם מקורות לחנקן ומימן על ידי ספיגת לחץ-נדנדה ואלקטרוליזה בהתאמה.

האנרגיה לתהליך מגיעה מהרוח. תהליך הבר-בוש הוא תגובה בת מאה שנה שמזינה חלק גדול מאוכלוסיית העולם. ניסיון לשפר אותו כרוך בסיכון גבוה ופוטנציאל תגמול גבוה.

הרעיון המקורי שלנו לעבודה זו היה להפוך את החוות המשפחתיות במינסוטה הכפרית לעצמאיות יותר עבור דשן החנקן שלהן. ההבטחה לדלק לערים חסרות אנרגיה על ידי אחסון אנרגיה מבוססת רוח כאמוניה נוזלית הייתה רווח בלתי צפוי. המפתח לתהליך מבוסס ספיגה הוא פיתוח סופג יציב לשימוש חוזר הלוכד ביעילות אמוניה בזמן ייצורה.

על ידי החלפת המעבה הקונבנציונאלי במיטה סופגת, אנו קרובים יותר לתהליך ייצור אמוניה זול ובטוח יותר המתאים לייצור בקנה מידה קטן.