Sintesi dell'ammoniaca a bassa pressione

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di produrre ammoniaca dall'aria, dall'acqua e dall'energia eolica in un processo a bassa pressione con emissioni di anidride carbonica trascurabili. Questo metodo può aiutare ad affrontare questioni chiave nella produzione di ammoniaca come l'efficienza di reazione, la distribuzione del prodotto e le emissioni di anidride carbonica. Il processo utilizza un assorbente solido selezionato con ammoniaca anziché un condensatore.

La rimozione continua dell'ammoniaca dal sistema riduce il verificarsi della reazione chimica inversa. Il vantaggio principale di questo processo è che può essere eseguito a una pressione inferiore, che è più sicura e meno costosa. Cory Marquart ed io gestiamo un impianto per il processo convenzionale che è 30.000 volte più piccolo degli impianti tipici.

Questo fornisce uno standard per il confronto con il processo assorbente. Mike Reese e Cory Marquart gestiscono l'impianto convenzionale su piccola scala a Morris, nel Minnesota. A dimostrare il processo basato sull'assorbimento sarà Mahdi Malmali, un borsista post-dottorato affiliato al nostro laboratorio.

Prima di iniziare il processo, avviare l'impianto di generazione dell'ammoniaca e portare il reattore catalitico a 440 gradi Celsius. Impostare la temperatura del condensatore a meno 18 gradi Celsius. Quindi, accendi l'essiccatore d'aria, il compressore d'aria e il generatore di azoto.

Accendere il booster di azoto gassoso per riempire i serbatoi di alimentazione dell'azoto. Accendere il refrigeratore, l'unità di deionizzazione dell'acqua, l'elettrolizzatore e il booster di idrogeno gassoso. Verificare che il refrigeratore sia in funzione e che il liquido di raffreddamento scorra attraverso.

Quindi impostare il regolatore di ingresso dell'azoto su 300 PSI. Aprire la valvola dell'azoto per iniziare a pressurizzare lo skid di processo. Chiudere la valvola di bypass dell'azoto quando lo skid raggiunge i 300 PSI.

Quindi, impostare il regolatore di ingresso dell'idrogeno su 1, 200 PSI e aprire la valvola dell'idrogeno. Una volta che lo skid raggiunge 1.200 PSI, chiudere la valvola dell'idrogeno. Avviare lo skid per iniziare a far circolare la miscela di gas da azoto a idrogeno da uno a tre attraverso il sistema.

Al termine del processo, conservare l'ammoniaca condensata a 150 PSI. Per preparare il reattore, utilizzare un mortaio e un pestello per macinare le particelle del catalizzatore a meno di un millimetro. Imballare il catalizzatore di terra in un tubo da 0,25 pollici.

Per preparare l'assorbitore, imballare 80 grammi di cloruro di calcio o una quantità equivalente di un altro assorbente selettivo per l'ammoniaca in una colonna di 30 centimetri con un diametro interno di 2,3 centimetri. Tappare le estremità della colonna con materiale di supporto sufficiente per immobilizzare l'assorbente. Installare l'assorbitore e il reattore nell'apparecchiatura sperimentale.

Riscaldare il reattore a 450 gradi Celsius utilizzando la procedura di temperatura di attivazione consigliata mentre si fa scorrere l'idrogeno attraverso il reattore a 500 SCCM per completare l'attivazione del catalizzatore. Tenere il catalizzatore attivato sotto una coltre di azoto gassoso ultrapuro quando il sistema è inattivo. Per iniziare il processo di generazione dell'ammoniaca, chiudere la valvola di uscita e portare il reattore a 400 gradi Celsius e l'assorbitore a 180 gradi Celsius.

Lavare il sistema con azoto gassoso ultrapuro pressurizzando e sfiatando ripetutamente il sistema. Quindi, pressurizzare il sistema con una miscela da uno a tre di azoto e idrogeno gassoso. Arrestare i regolatori di flusso di massa di azoto e idrogeno.

Chiudere la valvola di ingresso del reattore. Aprire la valvola di uscita del reattore e avviare la pompa di ricircolo. Monitorare le temperature del reattore e dell'assorbitore all'inizio della reazione e regolarle secondo necessità per compensare i processi esotermici.

Eseguire il processo per cinque ore o fino a quando l'assorbitore inizia a sfondare, come indicato da una diminuzione della variazione della pressione del sistema nel tempo. Aprire la valvola di ingresso dell'azoto e la valvola di uscita dell'ammoniaca e ridurre il sistema alla pressione atmosferica. Far fluire l'azoto attraverso il sistema a 100 SCCM mentre si riscalda l'assorbitore per cinque ore per rilasciare l'ammoniaca.

Le alte pressioni utilizzate nel metodo convenzionale sono necessarie per favorire la reazione in avanti ad alte temperature. Nel metodo di separazione a bassa pressione, l'ammoniaca viene separata più completamente prima di poter subire la reazione inversa. È stato osservato un aumento significativo del tasso di conversione rispetto al metodo convenzionale.

Le velocità di reazione iniziali del metodo di separazione erano coerenti con i valori pubblicati e con esperimenti di cinetica chimica separati. La variazione di temperatura è stata osservata nelle velocità di reazione iniziali del metodo di assorbimento della reazione. La velocità di reazione complessiva ha mostrato una dipendenza dalla temperatura molto inferiore, indicando che la velocità di reazione catalitica non è un fattore limitante importante per il tasso di conversione nel metodo di separazione.

L'assorbente rimuoveva efficacemente l'ammoniaca dal sistema, ma la capacità della colonna diminuiva dopo ogni ciclo. Sono in corso indagini sul prolungamento della vita della colonna assorbente. La cinetica di assorbimento non è risultata essere un fattore significativamente limitante per la produzione di ammoniaca.

È stato riscontrato che la velocità di flusso di ricircolo è correlata alla velocità di reazione, indicando che è la fase di controllo primaria per il processo. Questo processo può produrre ammoniaca dall'aria, dall'acqua e dal vento. L'aria e l'acqua sono fonti di azoto e idrogeno rispettivamente per assorbimento di pressione oscillante ed elettrolisi.

L'energia per il processo proviene dal vento. Il processo Haber-Bosch è una reazione secolare che nutre una grande frazione della popolazione mondiale. Cercare di migliorarlo ha un alto rischio e potenzialmente una ricompensa elevata.

La nostra idea originale per questo lavoro era quella di rendere le aziende agricole a conduzione familiare nelle zone rurali del Minnesota più autosufficienti per i loro fertilizzanti azotati. La promessa di un combustibile per le città a corto di energia immagazzinando l'energia eolica sotto forma di ammoniaca liquida è stata un guadagno inaspettato. La chiave del processo basato sull'assorbimento è lo sviluppo di un assorbente stabile e riutilizzabile che intrappoli in modo efficiente l'ammoniaca durante la sua produzione.

Sostituendo il condensatore convenzionale con un letto assorbente, ci avviciniamo a un processo di generazione di ammoniaca più economico e sicuro, adatto alla produzione su piccola scala.