Name: Sintesi dellammoniaca a bassa pressione (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Impara la sintesi dell'ammoniaca a bassa pressione utilizzando un assorbente solido selettivo e energia eolica. Questo metodo riduce le emissioni di CO₂ e migliora l'efficienza rispetto ai processi convenzionali.

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Quest'opera è stata principalmente sostenuta da ARPA-E, una parte del dipartimento di energia, dal Minnesota Environment and Natural Resources Trust Fund, come raccomandato la Commissione legislativa-cittadino sulle risorse del Minnesota e di MNDRIVE, un'iniziativa della Università del Minnesota. Ulteriore supporto è venuto dalla Fondazione Dreyfus.

1. avviamento dell'impianto pilota <ol><li>sistema di produzione di azoto <ol><li>Disabilita l'essiccatore dell'aria, il compressore d'aria e l'azoto generatore. Verificare che esista almeno 800 kPa di aria nel serbatoio del compressore aria. Questo continua a inviare azoto per il serbatoio di accumulo fino a quando c'è non più di 0,004% (40 ppm) di ossigeno nell'azoto.</li>
		Ripetitore: <li>accendere l'azoto gas. Il booster di gas inizia a riempire i serbatoi di rifornimento di azoto, a pressioni alte come 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Sistema di produzione di idrogeno <ol><li>accendere il refrigeratore e l'unità di deionizzazione acqua electrolyzer. L'elettrolizzatore non funzionerà senza un sistema di ventilazione, perché c'è un sensore di flusso che misura la pressione negativa di ventilazione al fine di avviare l'elettrolizzatore. L'idrogeno è prodotto con un tasso di 0,54 kg/h, e la pressione di scarico sarà circa 1,5 MPa.</li>
		Ripetitore di <li>accendere l'idrogeno del gas. Verificare che il refrigeratore è operativo e scorre attraverso il liquido di raffreddamento. I serbatoi di rifornimento di idrogeno saranno riempiti fino a 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Start-up skid ammoniaca <ol><li>utilizzare il computer nella sala di controllo per eseguire le operazioni seguenti: <ol><li>verificare le uscite di emergenza per la costruzione.</li>
			<li>Assicurarsi che le concentrazioni di ammoniaca, idrogeno e ossigeno nell'edificio sono meno di 20%, 19 ppm e 35 ppm, rispettivamente.</li>
			<li>Verificare che i serbatoi di rifornimento di idrogeno e azoto sono a carico 17 MPa.</li>
			<li>Assicurarsi che il campionatore di ammoniaca e le valvole del serbatoio peso sono aggirate.</li>
			<li>Pressurizzare il pattino con azoto impostando il pattino &#39; regolatore di entrata di azoto di s a 2,5 MPa. Impostare il regolatore di pressione azoto a 300 psi e quindi aperto l'azoto bypass valvola per riempire il pattino con azoto a 300 psi. Quindi chiudere la valvola dell'azoto quando tale pressione viene raggiunto. Impostare l'idrogeno regolare a 1.200 psi e aprire la valvola di idrogeno per consentire lo skid riempire a 1.200 psi. Quindi chiudere la valvola di bypass idrogeno.</li>
			<li>Aprire il rubinetto dell'idrogeno e impostare il pattino &#39; regolatore di entrata s idrogeno a 10 MPa.</li>
			<li>Impostare il regolatore di pressione di NH 3 a 1 MPa.</li>
			<li>Utilizzare la GUI software di controllo per chiudere/aprire più valvole di bypass su skid, il compressore e le valvole aria.</li>
			<li>Utilizzare la GUI di controllo software per trasformare un paio dei controllori PID per garantire che il pattino sia alimentato con un rapporto 1:3 di N 2: H 2.</li>
			<li>La sala di controllo e utilizzando la GUI principale software di controllo, avviare il pattino. Il compressore inizia a ricircolare il gas in skid e iniettare il foraggio fresco.</li>
			<li>In the GUI controllo software, impostare la temperatura di reazione e la condensazione. Le temperature del reattore e condensatore sono impostate a 440 ° C e -25 ° C, rispettivamente. 
			Nota: Richiede fino a 4 giorni per il reattore di raggiungere la temperatura di set point e raggiungere una condizione di stato stazionario.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 2. Start-up di apparato sperimentale <ol><li>riduzione e preparazione di reattore <ol><li>pesare 3G di pre-ridotto catalizzatore. Ridurre la granulometria delle particelle di catalizzatore a meno di 1 mm con un mortaio e un pestello.</li>
		<li>Caricare il catalizzatore in 0.25 in tubolare e posizionare lana di quarzo su entrambi i lati.</li>
		<li>Utilizzare un regolatore di PID e aumentare la temperatura del reattore alla temperatura di reazione (400 ° C) con rampe appropriati, mentre l'idrogeno che scorre attraverso il reattore con una portata di 500 standard centimetri cubici al minuto (SCCM). Utilizzare le rampe (riassunte nella tabella 1). 
		Nota: L'aumento della temperatura deve essere molto liscia per ottenere l'attività del catalizzatore appropriato.</li>
		<li>Continuare il processo di riduzione per 24 h. Assicurarsi che nessun aria o impurità entra in contatto con il catalizzatore. Tenere sempre il reattore sotto una coltre di azoto.</li>
	</ol></li> <li>Preparazione assorbitore <ol><li>caricare 80 g di CaCl 2 assorbente nella colonna assorbitore (ID: 2,3 cm, lunghezza: 30 cm). Secondo diverse dimensioni assorbente, assorbitore diversi supporti di imballaggio sarà utilizzati su entrambi i lati dell'assorbitore, al fine di immobilizzare nella base imballata.</li>
		<li>Per rimuovere qualsiasi umidità, aumentare la temperatura di assorbitore a 350 ° C mentre l'azoto che scorre con la portata di 200 SCCM per 24 h.</li>
	</ol></li> <li>Prove di separazione di reazione a partire <ol><li>aumentare la temperatura del reattore e assorbitore a 400 ° C e 180 ° C, rispettivamente. 
		Nota: Utilizzare rampe di temperatura adeguata per aumentare la temperatura del reattore. Utilizzare trasformatori per rendere più agevole il controllo della temperatura. Mantenere il sistema in modalità di inattività sotto la coperta di azoto. Prima di iniziare qualsiasi prova, il sistema della tassa con azoto a 5 MPa un paio di volte e quindi rilasciare la pressione.</li>
		<li>Utilizzare la GUI per controllare l'idrogeno e l'azoto mass flow controller.</li>
		<li>Caricare l'apparecchio per le pressioni di destinazione con azoto e idrogeno, con il rapporto di 1:3.</li>
		<li>Una volta che la pressione dell'obiettivo è raggiunto, chiudere le valvole di aspirazione, aprire la valvola di scarico del reattore e accendere la pompa di ricircolo. A causa della reazione esotermica e assorbimento, le temperature reactor e assorbitore potrebbero richiedere un controllo più attento all'inizio del processo di.</li>
		<li>Continuare il test per 5 h, fino al punto quando l'assorbitore inizia a breakthrough.</li>
	</ol></li> <li>Desorbimento dell'ammoniaca <ol><li>aprire le valvole di aspirazione e mandata.</li>
		<li>Ridurre il sistema &#39; s di pressione alla pressione atmosferica e aumentare la temperatura dell'assorbitore mentre fluire azoto con una portata di 100 SCCM per 5 h per desorbimento dell'ammoniaca dal materiale assorbente.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Fasi critiche dell'apparato sperimentale di reazione-assorbimento:
Assicurarsi che non esiste nessuna impurità nel sistema di azoto e idrogeno. I materiali assorbenti cambierà dopo ogni ciclo. Nella maggior parte dei casi, ad alta temperatura ed in presenza di ammoniaca, i materiali assorbenti fusibile e formano un grande cemento solido. Secondo le proprietà termodinamiche di ogni ad alogenuri metallici e ammine complesse, temperature appropriate per assorbimento e desorbimento dovrebbero essere ...

L'ammoniaca è una sostanza chimica industriale chiave. Esso è prodotto con il processo Haber - Bosch, che è conosciuto come una delle innovazioni più importanti del secolo delth 201,.2. Sintesi dell'ammoniaca viene effettuata in presenza di un catalizzatore eterogeneo a temperature elevate (&#62; 375 ° C) e pressioni (&#62; 100 bar)3. Rendono tali elevate esigenze di temperatura e pressione ammoniaca sintesi molto energia - e alta intensità di capitale. Circa, 150 milioni di tonnellate di ammoniaca sono prodotte ogni anno4, che rappresenta l'1-3% del consumo mondiale di energia, 5% del consumo di gas naturale e fino al 3% dei cambiamenti climatici gas emissioni5,6, 7.
L'ammoniaca ha due principali usi potenziali. In primo luogo, l'ammoniaca è un fertilizzante di azoto sintetico1. Senza questo fertilizzante, metà della popolazione attuale non avrebbero accesso a cibo sufficiente. In secondo luogo, l'ammoniaca può servire come un vettore di energia, come un combustibile liquido di carbonio-neutro o come un'indiretta idrogeno portante8,9,10,11. In genere, risorse rinnovabili (ad es. vento) sono disponibili nelle zone rurali scarsamente, dove può essere catturato; Questo tipo di energia solare e vento isolato è chiamato "bloccato". In questo scenario, le energie elettriche e termiche da fonte di energia rinnovabile vengono convertite in energia-densi carbon neutral ammoniaca liquida. L'ammoniaca liquida prodotta può quindi essere spedito ai centri urbani, dove può essere utilizzato direttamente in celle a combustibile a base di ammoniaca12 e combustione interna motori13, o esso può essere scomposta in idrogeno e quindi essere utilizzato nelle celle a combustibile idrogeno o stazioni di idrogeno. Di conseguenza, possiamo passare il vento delle praterie US alle affollate aree urbane degli Stati Uniti
Principalmente a causa dell'uso di fertilizzanti, la produzione di ammoniaca è un'industria importante. A temperatura ambiente, la reazione di sintesi di ammoniaca è esotermica e quindi — almeno, in linea di principio — spontanea14, tuttavia, la reazione in condizioni ambientali è estremamente difficile a causa del legame forte azoto-azoto 15. per ovviare a questo, Fritz Haber notoriamente usato alte temperature per ottenere veloce cinetica, ma queste temperature elevate significava che la reazione inversa ha inibito la produzione. Per ridurre le inibizioni di questa reazione inversa, Haber utilizzato ad alta pressione per migliorare la conversione. Ha svolto la reazione su larga scala in una canna di fucile, che decora ancora lo stabilimento BASF di Ludwigshafen.
La necessità di utilizzare sia ad alta temperatura e pressione, quando la reazione potrebbe potenzialmente eseguito in condizioni molto più modeste ha frustrati chimici per oltre un secolo2. Anche dopo il processo è stato commercializzato, Karl Bosch e un'enorme coorte a BASF agitati attraverso l'intera tavola periodica cercando meglio catalizzatori. Mentre Bosch ha avuto poco successo, la ricerca continua ancora. Anche l'anno scorso, un nuovo programma di ricerca rivolto alla ricerca di un nuovo catalizzatore era iniziato16,17. La chimica dettagliata di sintesi dell'ammoniaca è ora ben compreso14, e se la ricerca per il nuovo catalizzatore è riuscita, sarebbe certamente vale la pena. Tuttavia, a nostro avviso, i fallimenti del passato riducono la possibilità di un futuro successo.
Nel testo seguente, viene descritto il processo di sintesi di ammoniaca su piccola scala, e la motivazione per studiare un processo alternativo è spiegata.
Il processo su piccola scala:
Eolica ammoniaca Stiamo migliorando il processo Haber - Bosch per la sintesi di ammoniaca, alla ricerca di un processo molto più piccolo, più semplice che può essere gestito localmente ma produce quantità trascurabili di anidride carbonica. Già dimostrata la fattibilità di fabbricazione locale ammoniaca dal vento in un impianto pilota situato a Morris, MN e mostrato in Figura 118. Morris si trova sul crinale di Buffalo, una formazione di sessanta miglia di dolci colline a sud-ovest del Minnesota. La cresta è insolitamente costante, forte vento, rotolamento attraverso la prateria. Di conseguenza, è una mecca per elettricità eolica.
Con questa elettricità, produciamo già ammoniaca dal vento, utilizzando questa pianta che è quaranta mila volte più piccola delle operazioni commerciali esistenti per i combustibili fossili. Alcuni elettricità eolica è usato per fare l'azoto dall'aria di adsorbimento dell'oscillazione di pressione, un metodo stabilito per la separazione dell'aria utilizzato, ad esempio, per i pazienti con l'enfisema che hanno bisogno di aria arricchita di ossigeno. Tuttavia, più dell'energia elettrica è utilizzato per fare l'idrogeno da elettrolisi dell'acqua. Questi gas sono combinati sopra un convenzionale catalizzatore nel processo rappresentato schematicamente nella Figura 2. Dopo la reazione, i gas sono separati da agghiacciante per condensare l'ammoniaca liquida. I gas che non ha reagiti, come pure l'ammoniaca uncondensed, vengono riciclato.
Dettagli dell'impianto pilota Nel nostro impianto pilota, l'Università del Minnesota rinnovabili idrogeno e ammoniaca impianto pilota, l'energia elettrica è fornita da un co-located 1.65 MW wind turbine. L'impianto pilota utilizza circa il 10% della potenza generata, con il restante potere utilizzato presso l'Università del Minnesota, campus di Morris.
Il sistema di produzione di idrogeno utilizza un elettrolizzatore, un compressore booster e un refrigeratore termico. Questo sistema produce 0,54 kg di gas di idrogeno all'ora, che viene memorizzato a 2.400 psi utilizzando 24 kWh di energia elettrica. Acqua da un pozzo in loco viene purificato mediante un sistema di osmosi e deionizzazione reverse. L'acqua è quindi fornita di electrolyzer ad un tasso di fino a 15 L/h. azoto viene generato utilizzando un generatore di azoto, un compressore pre- d'aria, un'essiccatore d'aria e un compressore booster. Il gas di azoto viene stoccato a 2.400 psi utilizzando circa 6 kWh di energia elettrica.
La sintesi di ammoniaca utilizza un pattino personalizzato. Esso comprende un compressore, un reattore, un ciclo di raffreddamento di refrigerazione e un riscaldatore elettrico da 20 kW. Il pattino utilizza circa 28 kWh di energia elettrica per produrre 2,7 kg di ammoniaca ogni ora che viene poi memorizzato a 150 psi. Il processo di produzione di ammoniaca è controllato con sistemi PLC e HMI. L'idrogeno prodotto e l'azoto vengono memorizzati sul sito in 18 azoto storaserbatoi di GE e 54 serbatoi di stoccaggio di idrogeno. L'ammoniaca è anche memorizzati all'interno di un vaso di 3.100-gallone.
Generazione eolica è costoso L'elettricità per questo processo è fatto dal vento, e così il carburante per la fabbricazione di ammoniaca è gratuito, senza l'utilizzo di qualsiasi combustibile fossile. Tuttavia, i costi di capitale per questo impianto pilota sono dominati dagli investimenti per la produzione di idrogeno e per la sintesi dell'ammoniaca. Le operazioni fino ad oggi suggeriscono che il costo di ammoniaca su piccola scala sono circa il doppio di ammoniaca convenzionale basato sui combustibili fossili. Mentre continuiamo a ottimizzare il nostro processo, crediamo che ammoniaca generate dal vento su piccola scala non sarà competitiva a prezzi correnti di gas naturale. La capitale costa a massa ammoniaca fatta potrebbe essere ridotto da un più ampio processo convenzionale, o da un processo alternativo come quello descritto avanti in questo documento.
Il processo di assorbimento:
Assorbimento aumenta la produzione di Il catalizzatore usato per la sintesi dell'ammoniaca è rimasto quasi invariato durante il secolo scorso19. Di conseguenza, abbiamo effettuato un approccio diverso in questa ricerca. Possiamo applicare il catalizzatore attuale e la temperatura di funzionamento ma assorbire ammoniaca a pressioni modeste, non appena si è formata. Ricicliamo qualsiasi non reagito idrogeno e azoto. Schematicamente, il processo è che come in Figura 3, simile al processo convenzionale, ma con un assorbitore di base imballata di sostituire il condensatore.
Cinetica di reazione iniziale non cambiano Esperimenti con questo sistema a conversione basso mostrano un tasso di reazione iniziale che è coerenza con molti degli studi precedenti su questo sistema3,14,15,20,21 , 22 , 23, come mostrato nella Figura 4. Il pannello di sinistra mostra i tassi iniziali, che variano fortemente con la temperatura. Mentre questi tassi variano anche con pressione, le variazioni sono più piccole, come mostrato nel pannello di destra. Nel nostro processo di nuovo, abbiamo utilizzare la stesso catalizzatore e condizioni operative simili, ma cercare modi per migliorare la produzione dell'ammoniaca mediante assorbimento ad una pressione inferiore. Speriamo così di ridurre i costi di capitale per la sintesi dell'ammoniaca.
Assorbimento migliora la conversione Nel nostro lavoro, abbiamo sostituito il condensatore nel processo piccolo con una base imballata, che è un recipiente cilindrico riempito con piccole particelle di assorbente. Abbiamo sottolineato assorbenti fatti principalmente di cloruro di magnesio e cloruro di calcio11,24. Tali assorbenti di ammine hanno due effetti. In primo luogo, essi riducono la concentrazione di ammoniaca presente nei gas riciclato quasi a zero. In secondo luogo, riducono efficacemente i tempi per la separazione quasi a zero. Questa strategia è produttivo25,26,27. Ad esempio, in Figura 5, indichiamo che il tasso di ammoniaca, che è proporzionale al calo della pressione totale del sistema, di fabbricazione è molto maggiore con assorbimento che senza. In particolare, la reazione al bar 90, testimoniano i cerchi rossi, è meno completa rispetto alla reazione con l'assorbente, mostrato dai triangoli blu27. Questo è vero anche se la reazione senza assorbente avviene ad una pressione quasi due volte che della reazione con assorbimento. In precedenti esperimenti (non mostrati qui), abbiamo anche dimostrato che l'eventuale conversione del processo è circa il 20% senza assorbente ma oltre il 95% con assorbente.
Il tasso di reazione varia molto meno con temperatura con assorbimento di senza. Questo è illustrato nella Figura 6, che riporta nuovamente sintesi dell'ammoniaca come pressione totale contro tempo27. Modifica la temperatura di reazione di 60 ° C ha poco effetto sulla velocità di reazione. Questo contrasta con i tassi iniziali in Figura 4, che mostra un cambiamento del tasso di reazione di quasi un ordine di grandezza. I risultati in Figura 4 e Figura 6 sono diversi perché l'effetto della reazione inversa è stata ridotta, così la cinetica chimica non sono più l'unico responsabile per il tasso globale di passaggio.

<table><tbody><tr><td>Apparato sperimentale</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di magnesio</td><td>Sigma Aldrich</td><td>7786-30-3</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Cloruro di calcio</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10043-52-4</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Idrogeno ultra puro</td><td>Matheson</td><td>SG PHYF30050</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Azoto ultra puro</td><td>Matheson</td><td>SG G1881112</td> Nuovo catalizzatore a base di ferro di <td>Brighton, MN</td></tr><tr><td></td><td>Clariant/Sud Chemie-Charlotte</td><td></td><td>, NC</td></tr><tr><td>Pompa a pistoni variabili</td><td>PumpWorks Inc.</td><td>PW2070N</td><td>Minneapolis, MN</td></tr><tr><td>Omega Riscaldatore ceramico</td><td>Omega</td><td>CRFC-36/115-A</td><td>Stamford,</td></tr><tr><td>CT Regolatore PID</td><td>Omega</td><td>CN96211TR</td><td>Stamford,</td></tr><tr><td>CT Condizionatore di segnale</td><td>Omega</td><td>DRG-SC-TC</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>Trasduttore di pressione</td><td>WIKA</td><td>50426877</td><td>Lawrenceville, Georgia</td></tr><tr><td>Regolatore di flusso di massa</td><td>Brooks Strumenti</td><td>SLA5850</td><td>Hatefield, PA</td></tr><<tr><td>strong>Nome</td><td>Azienda</td><td>Numero di catalogo</td><td>Comments</td></tr><tr><td>Impianto pilota</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Elettrolizzatore</td><td>Proton OnSite</td><td>H6 Series</td><td>Wallingford, CT</td></tr><tr><td>Gas Booster</td><td>Macchina PDC</td><td>3 2500&nbsp;</td><td>Warminster, Pennsylvania</td></tr><tr><td>Turbina eolica</td><td>Vestas</td><td>V82</td><td>Portland, OR</td></tr><tr><td>Chiller</td><td>Thermal Care</td><td>Serie SQ</td><td>Niles, IL</td></tr><tr><td>Depuratore d'acqua</td><td>Elga Pure Lab</td><td>Generatore di</td> azoto Generatore <td></td></tr> di <tr><td>azoto</td><td>Sistema di gas innovativo</td><td>NS-10</td><td>Huoston, TX</td></tr><tr><td>Compressore d'aria</td><td>Hydrovane</td><td>HV05</td><td></td></tr></tbody></table>

sintesi dell'ammoniaca a bassa pressione

Ammonia Synthesis at Low Pressure

Ammoniaca può essere sintetizzato a bassa pressione mediante l'uso di un assorbente selettiva di ammoniaca. Il processo può essere guidato con energia eolica, disponibile localmente nelle aree che richiedono di ammoniaca per fertilizzante sintetico. Tale energia eolica è spesso chiamato "incagliato", perché è solo disponibile lontano da centri abitati dove può essere utilizzato direttamente.
Nel processo di proposta bassa pressione azoto è fatto dall'aria mediante assorbimento dell'oscillazione di pressione, e l'idrogeno è prodotto tramite elettrolisi dell'acqua. Mentre questi gas possono reagire a circa 400 ° C in presenza di catalizzatori convenzionali promosso, la conversione è spesso limitata dalla reazione inversa, che rende questa reazione solo fattibile ad alte pressioni. Questa limitazione può essere rimosso dall'assorbimento su un ammine-come calcio o magnesio cloruro. Tali alogenuri di metallo alcalini è in grado di rimuovere efficacemente ammoniaca, così sopprimendo i vincoli di equilibrio della reazione. Nel processo di sintesi proposta avanzata assorbimento ammoniaca, la velocità di reazione può poi essere regolata non la cinetica chimica né i tassi di assorbimento, ma il tasso di riciclo dei gas non reagito. I risultati reggono il confronto con l'ammoniaca fatta da una piccola scala convenzionale processo Haber - Bosch.

Un impianto pilota a Morris, MN ha dimostrato la fattibilità dell'utilizzo di vento per la produzione di ammoniaca locale18, come mostrato nella Figura 1. Il vento genera l'elettricità, che viene utilizzato per apportare azoto e idrogeno attraverso l'assorbimento dell'oscillazione di pressione d'aria e attraverso l'elettrolisi dell'acqua, rispettivamente. Un reattore utilizza un catalizzatore convenzionale per combinare i gas azoto e i...

Ammoniaca può essere sintetizzato a bassa pressione utilizzando un catalizzatore convenzionale e un assorbente selettiva di ammoniaca.

Sintesi dell'ammoniaca a bassa pressione

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'obiettivo generale di questa procedura è produrre ammoniaca da aria, acqua ed energia generata dal vento attraverso un processo a bassa pressione con emissioni trascurabili di anidride carbonica. Questo metodo può contribuire a risolvere problemi chiave nella produzione di ammoniaca, come l'efficienza della reazione, la distribuzione del prodotto e le emissioni di anidride carbonica. Il processo utilizza un assorbente solido selettivo per l'ammoniaca anziché un condensatore.La rimozione continua dell'ammoniaca dal sistema riduce l'insorgenza della reazione chimica inversa. Il vantaggio principale di questo processo è che può essere eseguito a pressione più bassa, il che lo rende più sicuro e meno costoso. Cory Marquart e io gestiamo un impianto per il processo convenzionale che è 30.000 volte più piccolo rispetto agli impianti tipici.Questo fornisce uno standard di confronto con il processo a base di assorbimento. Mike Reese e Cory Marquart stanno gestendo l'impianto convenzionale su piccola scala a Morris, Minnesota. A dimostrare il processo basato sull'assorbimento sarà Mahdi Malmali, un ricercatore post-dottorato affiliato al nostro laboratorio.Prima di iniziare il processo, avviare l'impianto di produzione di ammoniaca e portare il reattore catalitico a 440 gradi Celsius. Impostare la temperatura del condensatore a meno 18 gradi Celsius. Successivamente, accendere l'essiccatore dell'aria, il compressore dell'aria e il generatore di azoto.Accendere il compressore del gas azoto per riempire i serbatoi di azoto. Accendere il refrigeratore, l'unità di desalinizzazione dell'acqua, l'elettrolizzatore e il compressore del gas idrogeno. Verificare che il refrigeratore sia in funzione e che il liquido di raffreddamento stia circolando.Impostare successivamente il regolatore dell'ingresso di azoto a 300 PSI. Aprire la valvola dell'azoto per iniziare la pressurizzazione del process skid. Chiudere la valvola di bypass dell'azoto quando il process skid raggiunge 300 PSI.Quindi, impostare il regolatore dell'ingresso dell'idrogeno a 1.200 PSI e aprire la valvola dell'idrogeno. Una volta che il gruppo raggiunge 1.200 PSI, chiudere la valvola dell'idrogeno. Avviare il gruppo per iniziare il ciclo della miscela gassosa di azoto e idrogeno uno a tre attraverso il sistema.Dopo il completamento 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 fino a una dimensione inferiore a un millimetro. Riempire il tubo da 0,25 pollici con il catalizzatore macinato.Per preparare l'assorbitore, inserire 80 grammi di cloruro di calcio o una quantità equivalente di un altro assorbente selettivo per l'ammoniaca in una colonna lunga 30 centimetri e con un diametro interno di 2,3 centimetri. Chiudere le estremità della colonna con materiale di supporto sufficiente a immobilizzare l'assorbente. Installare l'assorbitore e il reattore nell'apparato sperimentale.Riscaldare il reattore a 450 gradi Celsius utilizzando la procedura di temperatura di attivazione raccomandata, facendo contemporaneamente fluire idrogeno attraverso il reattore a 500 SCCM per completare l'attivazione del catalizzatore. Mantenere il catalizzatore attivato sotto una copertura di gas azoto ultra puro quando il sistema è inattivo. Per iniziare il processo di generazione di ammoniaca, chiudere la valvola di uscita e portare il reattore a 400 gradi Celsius e l'assorbitore a 180 gradi Celsius.Svuotare il sistema con gas azoto ultra puro pressurizzando e sfiatando ripetutamente il sistema. Successivamente, pressurizzare il sistema con una miscela uno a tre di gas azoto e idrogeno. Arrestare i regolatori di flusso massico 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 mentre la reazione inizia e regolarle secondo necessità per compensare i processi esotermici.Eseguire il processo per cinque ore o fino a quando l'assorbitore inizia a saturarsi, 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 la pressione del sistema a quella atmosferica. Far passare azoto nel 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 diretta a temperature elevate. Nel metodo di separazione a bassa pressione, l'ammoniaca viene separata in modo più completo prima che possa subire la reazione inversa. Si è osservato un aumento significativo della velocità di conversione rispetto al metodo convenzionale.I tassi iniziali di reazione del metodo di separazione erano coerenti con i valori pubblicati e con esperimenti separati di cinetica chimica. È stata osservata una variazione della temperatura nei tassi iniziali di reazione del metodo di assorbimento reattivo. Il tasso di reazione complessivo ha mostrato una dipendenza dalla temperatura molto minore, indicando che il tasso di reazione catalitica non è un fattore limitante principale per il tasso di conversione nel metodo di separazione.L'assorbente ha rimosso in modo efficiente l'ammoniaca dal sistema, ma la capacità della colonna è diminuita dopo ogni ciclo. Sono in corso indagini per prolungare la durata della colonna assorbente. Le cinetiche di assorbimento non si sono rivelate un fattore limitante significativo per la produzione di ammoniaca.È stato riscontrato che la portata di ricircolo è correlata alla velocità di reazione, indicando che essa rappresenta la fase principale di controllo del processo. Questo processo può produrre ammoniaca a partire da aria, acqua e vento. L'aria e l'acqua costituiscono rispettivamente le fonti di azoto e idrogeno, mediante assorbimento a ciclo di pressione ed elettrolisi.L'energia per il processo proviene dal vento. Il processo Haber-Bosch è una reazione di un secolo fa che nutre una grande frazione della popolazione mondiale. Tentare di migliorarlo comporta un alto rischio e potenzialmente un alto ritorno.La nostra idea iniziale per questo lavoro era rendere le aziende agricole familiari nelle zone rurali del Minnesota più autosufficienti per quanto riguarda il fertilizzante azotato. La possibilità di ottenere un combustibile per città carenti di energia immagazzinando l'energia eolica sotto forma di ammoniaca liquida è stato un vantaggio inaspettato. La chiave del processo basato sull'assorbimento è sviluppare un assorbente stabile e riutilizzabile che intrappoli in modo efficiente l'ammoniaca man mano che viene prodotta.Sostituendo il condensatore convenzionale con un letto assorbente, ci avviciniamo a un processo di produzione dell'ammoniaca più economico e sicuro, adatto a una produzione su piccola scala.

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