低圧でのアンモニア合成

本手順の総合的な目的は、低圧プロセスを用い、二酸化炭素排出量を極限まで抑えて、空気、水、および風力発電エネルギーからアンモニアを製造することです。この手法は、反応効率、生成物分布、二酸化炭素排出量といったアンモニア製造における主要な課題の解決に寄与します。本プロセスでは、凝縮器ではなく、アンモニア選択的固体吸着剤を使用します。

システムからアンモニアを継続的に除去することで、逆化学反応の発生を抑制します。このプロセスの主な利点は、より低圧で実施できるため、安全性が高くコストを抑えられることです。Cory Marquartと私は、一般的なプラントよりも30,000倍小さい従来プロセスのプラントを運用しています。

これにより、吸収プロセスとの比較基準が得られます。ミネソタ州モリスにある従来型の小規模プラントの操作は、Mike ReeseとCory Marquartが行います。吸収ベースのプロセスの実演は、当研究室に所属する博士研究員であるMahdi Malmaliが担当します。

工程を開始する前に、アンモニア発生装置を起動し、触媒反応器を440 °Cまで昇温させます。凝縮器の温度を-18 °Cに設定してください。次に、エアドライヤー、エアコンプレッサー、および窒素発生装置の電源を入れます。

窒素ガスブースターをオンにして、窒素供給タンクを満たします。チラー、純水製造装置、電解槽、および水素ガスブースターをオンにします。チラーが正常に動作し、冷却液が流れていることを確認してください。

次に、窒素インレットレギュレーターを300 PSIに設定します。窒素バルブを開き、プロセススキッドへの加圧を開始します。スキッドが300 PSIに達したら、窒素バイパスバルブを閉じます。

次に、水素入口レギュレーターを1,200 PSIに設定し、水素バルブを開きます。スキッドが1,200 PSIに達したら、水素バルブを閉じます。スキッドを起動し、窒素と水素の1:3の混合ガスをシステム内で循環させます。

処理が完了した後、凝縮したアンモニアを150 PSIで保存します。リアクターを準備するために、乳鉢と乳棒を用いて触媒粒子を1 mm未満のサイズに粉砕します。粉砕した触媒を0.25インチのチューブに充填します。

アブソーバーを調製するために、80 gの塩化カルシウム、または同量の他のアンモニア選択的吸収剤を、内径2.3 cm、長さ30 cmのカラムに充填します。吸収剤を固定させるため、カラムの両端に十分な量のパッキング支持材を詰めて塞ぎます。アブソーバーとリアクターを実験装置に取り付けます。

推奨される活性化温度手順に従い、水素を500 SCCMで反応器に流しながら、反応器を450 °Cまで加熱して触媒の活性化を完了させます。システムをアイドル状態にする際は、活性化触媒を超高純度窒素ガスのブランケット下で保持してください。アンモニア生成プロセスを開始するには、出口バルブを閉じ、反応器を400 °Cに、吸収塔を180 °Cに昇温させます。

システムを繰り返し加圧および排気し、超高純度窒素ガスでフラッシュします。次に、窒素と水素を1:3の割合で混合したガスでシステムを加圧します。窒素および水素のマスフローコントローラを停止させます。

反応器の入口バルブを閉じます。反応器の出口バルブを開き、再循環ポンプを始動させます。反応開始に伴い、反応器と吸収塔の温度を監視し、発熱反応を補正するために必要に応じて温度を調整してください。

このプロセスを5時間、または時間の経過に伴うシステム圧力の変化量が減少して吸収剤の破過が始まるまで実行します。窒素入口バルブとアンモニア出口バルブを開き、システムを大気圧まで減圧します。アンモニアを放出させるため、吸収剤を5時間加熱しながら、窒素を100 SCCMでシステム内に流します。

従来の方法で用いられる高圧条件は、高温下で正反応を促進させるために必要です。低圧分離法では、アンモニアが逆反応を起こす前に、より完全に分離されます。その結果、従来の方法と比較して、転化率の大幅な向上が観察されました。

分離法の初期反応速度は、既報の値および個別の化学速度論実験の結果と一致した。反応吸収法の初期反応速度では温度変化が観察された。一方で、全体の反応速度は温度依存性が大幅に低いことが示され、分離法における転換速度に対して触媒反応速度が主要な制限要因ではないことが示唆された。

吸収剤はシステムから効率的にアンモニアを除去しましたが、サイクルごとにカラムの容量が低下しました。吸収剤カラムの寿命を延ばすための検討が現在進行中です。なお、吸収速度論がアンモニア生成の顕著な制限要因になることはないことが分かりました。

再循環流量が反応速度と相関することが判明し、これがプロセスの主要な制御工程であることが示されました。このプロセスにより、空気、水、および風からアンモニアを製造することが可能です。空気と水は、それぞれ圧力スイング吸着と電気分解によって、窒素と水素の供給源となります。

このプロセスのエネルギーは風力から得られます。ハーバー・ボッシュ法は、世界人口の大部分を養っている1世紀前からある反応です。この手法の改善を試みることはリスクが高い一方で、潜在的なリターンも大きいと考えられています。

本研究の当初の目的は、ミネソタ州の農村部にある家族経営の農場が、窒素肥料をより自給自足できるようにすることでした。風力エネルギーを液体アンモニアとして貯蔵することで、エネルギー不足の都市に向けた燃料となる可能性が見出されたことは、予想外の成果でした。吸収ベースのプロセスの鍵となるのは、生成されるアンモニアを効率的に捕捉できる、安定した再利用可能な吸収剤を開発することです。

従来の凝縮器を吸収床に置き換えることで、小規模製造に適した、より安価で安全なアンモニア生成プロセスへと近づくことができます。