低圧でのアンモニア合成

この手順の全体的な目標は、二酸化炭素の排出をほとんど無視できる低圧プロセスで、空気、水、風力で生成されたエネルギーからアンモニアを生成することです。この方法は、反応効率、生成物の分布、二酸化炭素排出量など、アンモニア製造における主要な問題に対処するのに役立ちます。このプロセスでは、コンデンサーではなく、固体のアンモニア選択吸収剤を使用します。

システムからアンモニアを継続的に除去すると、逆化学反応の発生が減少します。このプロセスの主な利点は、より安全で安価な低圧で実行できることです。Cory Marquartと私は、一般的なプラントの30,000倍小さい従来のプロセス用のプラントを運営しています。

これにより、吸収性プロセスとの比較の基準が得られます。Mike Reese氏とCory Marquart氏は、ミネソタ州モリスで従来の小規模工場を運営しています。吸収に基づくプロセスを実証するのは、私たちの研究室に所属するポスドク研究員のMahdi Malmaliです。

プロセスを開始する前に、アンモニア生成プラントを起動し、触媒反応器を摂氏440度にランプします。コンデンサーの温度を摂氏マイナス18度に設定します。次に、エアドライヤー、エアコンプレッサー、窒素発生器の電源を入れます。

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、水脱イオンユニット、電解槽、水素ガスブースターの電源を入れます。チラーが動作しており、冷却液が流れていることを確認します。

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

次に、水素インレットレギュレータを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。スキッドを始動して、窒素と水素の混合ガスをシステム内で1つまたは3つ循環させます。

プロセスが終了したら、凝縮したアンモニアを150PSIで保存します。反応器を準備するには、乳鉢と乳棒を使用して、触媒粒子を1ミリメートル未満のサイズに粉砕します。粉砕触媒を0.25インチのチューブに詰めます。

吸収剤を調製するには、80グラムの塩化カルシウムまたは同量の別のアンモニア選択吸収剤を、内径2.3センチメートルの30センチメートルのカラムに詰めます。カラムの端を十分なパッキングサポート材で塞ぎ、吸収剤を固定します。アブソーバーと反応器を実験装置に取り付けます。

推奨される活性化温度手順を使用して反応器を摂氏450度に加熱し、水素を500 SCCMで反応器に流して触媒の活性化を終了します。システムがアイドル状態のときは、活性触媒を超高純度窒素ガスのブランケットの下に保管してください。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、反応器を摂氏400度に、吸収器を摂氏180度にランプします。

システムを超高純度窒素ガスで洗い流し、システムを繰り返し加圧して通気します。次に、窒素ガスと水素ガスを1〜3個混合してシステムを加圧します。窒素と水素のマスフローコントローラーを停止します。

リアクターインレットバルブを閉じます。リアクター出口バルブを開き、再循環ポンプを始動します。反応の開始時に反応器と吸収器の温度を監視し、発熱プロセスを補正するために必要に応じて調整します。

プロセスを5時間、または時間の経過とともにシステム圧力の変化が減少するように、アブソーバーが突破し始めるまで実行します。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下げます。100 SCCMでシステムに窒素を流し、吸収器を5時間加熱してアンモニアを放出します。

従来の方法で使用されていた高圧は、高温での順反応を促進するために必要です。低圧分離法では、アンモニアが逆反応を起こす前に、アンモニアがより完全に分離されます。従来の方法と比較して、変換率の有意な増加が観察されました。

分離法の初期反応速度は、公表されている値および個別の化学反応速度論実験と一致していました。反応吸収法の初期反応速度には温度変化が認められた。全体的な反応速度は温度依存性がはるかに低く、触媒反応速度が分離法における転化速度の主要な制限要因ではないことを示しています。

吸収剤はシステムからアンモニアを効率的に除去しましたが、カラムの容量はサイクルごとに減少しました。吸収性カラムの寿命を延ばすための調査が進行中です。吸収速度論は、アンモニア産生の有意な制限要因であるとは認められませんでした。

再循環流量は反応速度と相関していることがわかり、それがプロセスの主要な制御ステップであることが示されました。このプロセスは、空気、水、風からアンモニアを作ることができます。空気と水は、それぞれ圧力スイング吸収と電気分解によって窒素と水素の供給源です。

プロセスのエネルギーは風から来ます。ハーバー・ボッシュ法は、100年前からある反応であり、世界の人口の大部分を養っています。それを改善しようとすると、リスクが高く、見返りが高くなる可能性があります。

この仕事の当初のアイデアは、ミネソタ州の田舎にある家族経営の農場で、窒素肥料をより自給自足できるようにすることでした。風力ベースのエネルギーを液体アンモニアとして貯蔵することにより、エネルギー不足の都市に燃料を供給するという約束は、予想外の利益でした。吸収ベースのプロセスの鍵は、アンモニアが生成されたときに効率的にトラップする安定した再利用可能な吸収剤を開発することです。

従来のコンデンサーを吸収性ベッドに置き換えることで、小規模製造に適した安価で安全なアンモニア生成プロセスに近づきました。