סינתזה אמוניה בלחץ נמוך

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.