Name: 저압에서 암모니아 합성 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: 배우세요 저압 환경에서 고체 흡수체를 이용한 암모니아 합성 방법을. 이 기술은 재생에너지를 활용하여 탄소 배출을 최소화하고 반응 효율을 높이는 지속가능한 화학공정 연구에 활용됩니다.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

이 작품은 주로 지원 ARPA-E는, 미국 에너지 부, 미네소타 환경 및 천연 자원 신탁 기금에 의해의 한 부분으로 입법 시민 위원회 미네소타 자원, 그리고 MNDRIVE의 이니셔티브에 의해 권장 합니다 미네소타의 대학입니다. 추가 지원 드레퓌스 재단에서 왔다.

1. 파일럿 플랜트 시작 <ol>공기 건조 기, 공기 압축기와 질소에 질소 생산 시스템 <ol><li>차례 <li>발전기. 공기 압축기 탱크에 공기의 적어도 800 인민군 인지 확인 합니다. 이 때까지 0.004% (40 ppm) 산소는 질소에서 보다는 더 이상 버퍼 탱크에 질소를 보내는 유지.</li>
		<li>질소에 가스 부스터입니다. 가스 부스터 17 MPa로 높은 압력에서 질소 공급 탱크를 채우기 시작.</li>
	</ol></li> <li>수소 생산 시스템 <ol><li>냉각기, 물 이온화 단위 및 electrolyzer는. electrolyzer electrolyzer 시작 있도록 빠져나가 부정적인 압력을 측정 하는 유량 센서 때문에 배기 시스템 없이 작동 하지 않습니다. 0.54 k g/h의 속도와 수소는 생성 하 고 방전 압력 약 1.5 MPa를 될 것입니다.</li>
		<li>켜 수소 가스 부스터입니다. 냉각 장치 작동 하 고 냉각 액체 흐르는 확인 하십시오. 수소 공급 탱크까지 17 MPa 채워질 것 이다.</li>
	</ol></li> <li>암모니아 스키 드 시작 <ol><li>제어 실에서 컴퓨터를 사용 하 여 다음을 수행: <ol><li>건물에 대 한 비상구를 확인 합니다.</li>
			<li>건물에서 산소, 수소, 암모니아 농도 20%, 19 ppm, 35 ppm, 각각 있는지 확인 하십시오.</li>
			<li>수소 및 질소 공급 탱크 17 mpa 부과 됩니다 확인 하십시오.</li>
			<li>암모니아 샘플러 및 체중 탱크 밸브 무시 됩니다 있는지 확인 하십시오.</li>
			<li>압력솥 질소와 스키 드 스키 드를 설정 하 여 &#39; 2.5 mpa s 질소 유입 레 귤 레이 터. 300 psi에 질소 압력 레 귤 레이 터를 설정 하 고 오픈 질소 바이패스 밸브 300 psi에 질소와 스키 드를 채우기 위해. 그 압력에 도달 하면 다음 질소 밸브를 닫습니다. 1200 psi 수소를 정기적으로 설정 하 고 1200 psi를 채우기 위해 스키 드 수 있도록 수소 밸브를 엽니다. 수소 바이패스 밸브를 닫습니다.</li>
			<li>수소 입구 밸브를 열고 스키 드를 설정 &#39; 10 mpa s 수소 입구 레 귤 레이 터.</li>
			<li>1 mpa NH 3 압력 레 귤 레이 터 설정.</li>
			<li>닫기/열기는 스키 드, 압축기, 공기 밸브에 여러 바이패스 밸브를 제어 소프트웨어 GUI를 사용 하 여.</li>
			<li>제어 소프트웨어 GUI를 사용 하 여 스키 드 N 2의 1:3 비율로 공급 되도록 PID 컨트롤러의 몇 차례: H 2.</li>
			<li>제어 실에서 소프트웨어를 제어 하는 마스터 GUI를 사용 하 여, 스키 드 시작. 스키 드에서 가스 recirculate 신선한 피드 주입을 시작 하는 압축기.</li>
			<li>에는 GUI 소프트웨어, 제어 반응 및 응축 온도 설정 합니다. 반응 기 및 응축 기 온도 440 ° C와-25 ° C에서 각각 설정 됩니다. 
			참고: 세트 포인트 온도 정상 상태 조건 달성을 원자로 대 한 최대 4 일 걸립니다.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 2. 실험 기구 시작 <ol><li>원자로 준비 및 감소 <ol><li>무게 3g 미리 감소의 촉매. 미만 1 m m 박격포 및 방 앗 공이 사용 하 여 촉매 입자의 입자 크기를 줄입니다.</li>
		<li>튜브, 0.25에 촉매를 로드 하 고 양쪽에 석 영 울 놓습니다.</li>
		<li>PID 컨트롤러를 사용 하 고 적절 한 경사로와 반응 온도 (400 ° C) 원자로 온도 증가 하면서 (SCCM) 분당 500 표준 입방 센티미터의 유량과 반응 기를 통해 흐르는 수소. (표 1에 요약) 경사로 사용 하 여. 
		참고: 온도 증가 적절 한 촉매 활동을 얻기 위하여 매우 부드러운 되어야 합니다.</li>
		<li>24 h. 확인 촉매에 접촉으로 오는 공기 또는 불순물에 대 한 감소 과정을 계속 합니다. 질소의 담요에서 원자로 항상 유지.</li>
	</ol></li> <li>흡수 준비 <ol><li>흡수 열 흡수 성 CaCl 2의 80 g 로드 (ID: 2.3 c m, 길이: 30 cm). 다른 흡수 성 크기에 따라 다른 흡수 포장 지원 된다 흡수, 양쪽 모두 층을 무력화 하기 위해.</li>
		<li>어떤 습도 제거 하려면 증가 흡수 온도 350 ° C를 24 h. 위해 200 SCCM의 유량과 질소를 흐르는 동안</li>
	</ol></li> <li>시작 반응 분리 테스트 <ol><li>각각 400 ° C 180 ° C를 원자로 및 흡수 온도 증가. 
		참고: 적절 한 온도 경사로 사용 하 여 원자로 온도 증가. 변압기를 사용 하 여 온도 제어를 원활 하 게. 질소의 담요 아래 유휴 모드에서 시스템을 유지. 시작 하기 전에 어떤 테스트, 몇 번, 5 mpa 질소로 시스템을 충전 하 고 다음 압력을 놓습니다.</li>
		<li>GUI를 사용 하 여 수소 및 질소 질량 유량 컨트롤러 제어.</li>
		<li>질소와 수소, 1: 3의 비율로 대상 압력 장치를 충전.</li>
		<li>대상 압력을 달성 하 고, 일단 입구 밸브, 반응 기 출구 밸브를 열고 닫고 recirculating 펌프를 켭니다. 발열 반응 및 흡수, 원자로 및 흡수 온도 과정의 시작에 더 조심 제어 해야 할 수도 있습니다.</li>
		<li>5 h에 대 한 테스트 지점 돌파구는 흡수가 시작 될 때까지 계속.</li>
	</ol></li> <li>암모니아의 탈 착 <ol><li>입구와 출구 밸브를 엽니다.</li>
		<li>감소 시스템 &#39; s 대기 압력에 압력 및 흡수 기의 온도 증가 흡수 성 물자에서 암모니아를 desorb에 5 h 100 SCCM의 유량과 질소를 흐르는 동안.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., Winiwarter, W. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/ngeo/journal/v1/n10/abs/ngeo325.html">How a century of ammonia synthesis changed the world.</a> Nat Geosci. 1 (10), 636-639 (2008).</li>
<li>Vojvodic, A., Medford, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000926141400147X">Exploring the limits: A low-pressure, low-temperature Haber-Bosch process.</a> Chem Phys Lett. 598, 108-112 (2014).</li>
<li>Jennings, J. R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJennings%2C+JR+%22Catalytic+Ammonia+Synthesis%22">Catalytic Ammonia Synthesis</a>. , Springer Science and Business Media. Plenum Press. (1991).</li>
<li>Apodaca, L. E. Nitrogen (Fixed) - Ammonia. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf">https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf</a> (2016).</li>
<li>IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/">http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/</a> (2014).</li>
<li>Gielen, D. Tracking Industrial Energy Efficiency and CO2 Emissions - Organization for Economic Co-operation and Development. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.iea.org/w/bookshop/pricing.html">http://www.iea.org/w/bookshop/pricing.html</a> (2007).</li>
<li>Worrell, E., Phylipsen, D., Einstein, D., Martin, N. LBNL-44314 Energy Use and Energy Intensity of the U.S. Chemical Industry. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://ateam.lbl.gov/PUBS/doc/LBNL-44314.pdf">http://ateam.lbl.gov/PUBS/doc/LBNL-44314.pdf</a> (2000).</li>
<li>Wojcik, A., Middleton, H., Damopoulos, I., Van herle, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ammonia+as+a+fuel+in+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22J+Power+Sources%22%5BJournal%5D)">Ammonia as a fuel in solid oxide fuel cells.</a> J Power Sources. 118 (1-2), 342-348 (2003).</li>
<li>Zamfirescu, C., Dincer, I. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775308004461">Using ammonia as a sustainable fuel.</a> J Power Sources. 185 (1), 459-465 (2008).</li>
<li>Christensen, C. H., Johannessen, T., Sørensen, R. Z., Nørskov, J. K. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920586105007157">Towards an ammonia-mediated hydrogen economy?</a> Catalysis Today. 111 (1-2), 140-144 (2006).</li>
<li>Hummelshøj, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((reversible+high-density+hydrogen+storage+in+compact+metal+ammine+salts%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">reversible high-density hydrogen storage in compact metal ammine salts.</a> J Am Chem Soc. 130 (27), 8660-8668 (2008).</li>
<li>Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/er.1588/abstract">Ammonia-fed solid oxide fuel cells for power generation-A review.</a> Int J Energy Res. 33 (11), 943-959 (2009).</li>
<li>Zamfirescu, C., Dincer, I. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382009000241">Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications.</a> Fuel Process Technol. 90 (5), 729-737 (2009).</li>
<li>Ertl, G. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03602458008067533">Surface Science and Catalysis-Studies on the Mechanism of Ammonia Synthesis: The P. H. Emmett Award Address.</a> Catal Rev. 21 (2), 201-223 (2006).</li>
<li>Nielsen, A., Kjaer, J., Bennie, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021951764900946">Rate equation and mechanism of ammonia synthesis at industrial conditions.</a> J Catal. 3 (1), 68-79 (1964).</li>
<li>U.S. Department of Energy. DE-FOA-0001569 Sustainable Ammonia Synthesis. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf">https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf</a> (2016).</li>
<li>Chen, J., Miranda, R., Fitzsimmons, T., Stack, R. Sustainable Ammonia Synthesis - Exploring the scientific challenges associated with discovering alternative, sustainable processes for ammonia production. DOE Roundtable Report. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf">https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf</a> (2016).</li>
<li>Reese, M., Marquart, C., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.5b04909">Performance of a Small-Scale Haber Process.</a> Ind Eng Chem Res. 55 (13), 3742-3750 (2016).</li>
<li>Schlögl, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytic+Synthesis+of+Ammonia-A+%22Never-Ending+Story%22%5BTitle%5D)+AND+%22Ange+Chemie+Int+Ed%22%5BJournal%5D)">Catalytic Synthesis of Ammonia-A "Never-Ending Story".</a> Ange Chemie Int Ed. 42 (18), 2004-2008 (2003).</li>
<li>Dyson, D. C., Simon, J. M. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/i160028a013">Kinetic Expression with Diffusion Correction for Ammonia Synthesis on Industrial Catalyst.</a> Ind Eng Chem Fund. 7 (4), 605-610 (1968).</li>
<li>Temkin, M., Pyzhev, V. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie051398g">Kinetics of ammonia synthesis on promoted catalysts.</a> Acta Physiochim USSR. 12, 327-356 (1940).</li>
<li>Annable, D. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009250952870113">Application of the Temkin kinetic equation to ammonia synthesis in large-scale reactors.</a> Chem Eng Sci. 1 (4), 145-154 (1952).</li>
<li>Guacci, U., Traina, F., Ferraris, G. B., Barisone, R. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/i260062a002">On the Application of the Temkin Equation in the Evaluation of Catalysts for the Ammonia Synthesis.</a> Ind Eng Chem Prod DD. 16 (2), 166-176 (1977).</li>
<li>Hummelshøj, J. S., Sørensen, R. Z., Kustova, M. Y., Johannessen, T., Nørskov, J. K., Christensen, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+nanopores+during+desorption+of+NH3+from+Mg%28NH3%296Cl2%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Generation of nanopores during desorption of NH3 from Mg(NH3)6Cl2.</a> J Am Chem Soc. 128 (1), 16-17 (2006).</li>
<li>Huberty, M. S., Wagner, A. L., McCormick, A., Cussler, E. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.13744/abstract">Ammonia absorption at haber process conditions.</a> AIChE Journal. 58 (11), 3526-3532 (2012).</li>
<li>Himstedt, H. H., Huberty, M. S., McCormick, A. V., Schmidt, L. D., Cussler, E. L. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.14733/abstract">Ammonia synthesis enhanced by magnesium chloride absorption.</a> AIChE Journal. 61 (4), 1364-1371 (2015).</li>
<li>Malmali, M., Wei, Y., McCormick, A., Cussler, E. L. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.6b01880">Ammonia Synthesis at Reduced Pressure via Reactive Separation.</a> Ind Eng Chem Res. 55 (33), 8922-8932 (2016).</li>
<li>Wagner, K., Malmali, M., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.15685/abstract">Column absorption for reproducible cyclic separation in small scale ammonia synthesis.</a> AIChE Journal. , (2017).</li>
</ol>

저자는 공개 없다.

반응 흡수 실험 기구의 중요 한 단계:
질소와 수소 시스템에 아무 불순물은 다는 것을 확인 하십시오. 흡수 성 재료는 각 주기 후 변경 됩니다. 대부분의 경우, 고온에서 암모니아, 존재에서 흡수 성 물질 융합 하 고 큰 단단한 콘크리트를 형성 한다. 각 금속 할로겐 및 ammine 복잡 한의 열역학 속성에 따라 흡수와 탈 착에 대 한 적절 한 온도 고용 한다. 각 테스트 하기 전에 시스템 (흡수, 반응 기, 튜브, 밸브, 피팅, 등)에 걸쳐 압력 강하를 확인 한다, 재순환 루프, 흡수, 또는 반응 기 큰 압력을 부과 하지는 다는 것을 확인 하는 시스템 전체.
제한 사항: 최고의 Absorbents 알려진 지금 안정 되지 않습니다:
암모니아를 분리 하는 데 사용 ammine absorbents 큰 잠재 능력, 칼슘의 두더지 당 암모니아로 6 두더지 있다. 이 흡수는 고체에 있는...

암모니아는 주요 산업 화학 제품 이다. 그것은 20번째 세기1,2의 가장 중요 한 혁신 중 하나로 알려져 있는 하버-보쉬 과정을 통해 생산. 암모니아 합성은 고온에서 이질적인 촉매의 면 전에 서 수행 (&#62; 375 ° C) 및 압력 (&#62; 100 바)3. 이러한 높은 온도 압력 요구 사항을 만드는 암모니아 합성 매우 에너지-그리고 자본과. 암모니아의 150 백만 톤 생산 약, 각 년4, 1-3%의 세계의 에너지 소비, 천연 가스 소비량의 5%를 차지 하 고 기후 변화 가스 배출량5,6,의 3% 7.
암모니아는 두 가지 주요 잠재적인 용도가 있다. 첫째, 암모니아 합성 질소 비료1입니다. 이 비료 없이 충분 한 음식에 액세스할 수 없는 것이 현재 인구의 절반. 둘째, 암모니아는 벡터로 에너지, 탄소 중립 액체 연료 또는 간접 수소 캐리어8,9,,1011사용할 수 있습니다. 일반적으로, 재생 가능한 자원 (예: 바람)을 사용할 수 있습니다 underpopulated 농촌 지역, 어디 그것은 캡처할 수 있습니다. 격리 된 바람 및 태양 에너지의이 유형은 "좌초" 이라고 합니다. 이 시나리오에서는 신 재생 에너지 소스의 전기 및 열 에너지는 에너지 밀도 탄소-중립 액체 암모니아에 변환 됩니다. 액체 암모니아 생산 도시 센터, 암모니아 기반 연료 전지12 및 내부 연소 엔진13, 직접 사용할 수 있습니다 또는 그것과 수소에 분해할 수 있는 수소 연료 전지에 사용 될 다음 전달할 수 또는 수소 방송을 수 있습니다. 결과적으로, 우리는 미국의 붐비는 도시 지역에 미국 대초원의 바람을 이동할 수 있습니다.
비료 사용으로 인해 주로 암모니아 제조 주요 산업 이다. 그러나 실내 온도에, 암모니아 합성 반응은 이다 발열 그리고 그러므로-적어도 원리에서-강한 질소 질소 유대 때문에 자발적인14,, 주위 조건 하에서 반응 달성은 매우 어려운 15. 이것을 극복 하기 위해 후 리츠 Haber 유명 사용 높은 온도 빠른 속도 달성 하기 위해 하지만 이러한 높은 온도 의미 역 반응 생산을 저해. 이 역 반응의 임무를 줄이기 위해, 하버 변환 향상 높은 압력 사용. 그는 여전히 펜에 BASF 식물 장식 총 신에 대형 반응에 실시 한다.
반응 수 잠재적으로 훨씬 더 겸손 한 조건에서 실행 될 때 높은 온도 압력을 사용 하는 필요성에 대 한 좌절된 화학자 세기2있다. 과정은 상용화 후에 칼 보쉬와 BASF에서 거 대 한 코 호트 찾고 더 나은 촉매 전체 주기율표를 통해 휘저어. 보쉬 작은 성공 했다, 하는 동안 검색이 계속 됩니다. 심지어 지난 1 년, 새로운 촉매를 추구 하기 위한 새로운 연구 프로그램 시작 된16,17이었다. 암모니아 합성의 상세한 화학은 지금 잘 이해14, 그리고 새로운 촉매에 대 한 검색에 성공 하면 그것은 확실히 노력 가치가 있을 것입니다. 그러나, 우리의 보기에서 과거 실패 미래 성공의 가능성을 줄일.
다음 텍스트에서 소규모 암모니아 합성 과정을 설명 하 고 대체 프로세스를 조사 동기 부여 설명 했다.
소규모 프로세스:
바람 생성 암모니아 암모니아 합성에 대 한 하버-보쉬 프로세스 개선 로컬로 작동 될 수 있다 하지만 무시할 수 양의 이산화탄소를 생산 하 고 훨씬 더 작고, 더 간단한 과정을 추구는 우리. 바람에서 로컬 암모니아 제조의 타당성 모리스, 미네소타에 위치 해 있으며18 그림 1표시 된 파일럿 플랜트에서 이미 입증 되었습니다. 모리스는 버팔로 리 지, 미네소타의 남서 코너에서 롤링 힐스의 60 마일의 형성에 있다. 능선에는 비정상적으로 꾸준한 강한 바람, 대초원에 걸쳐 압 연 있다. 결과적으로, 그것은 바람에서 생성 된 전기에 대 한 메카입니다.
이 전기, 우리 이미 제조 바람에서 암모니아 40 천 시간 보다 작으면 화석 연료에 대 한 기존의 상업 운영이이 식물을 사용 하 여. 어떤 바람 생성 전기 압력 스윙 흡착에 의해 공기, 공기 분리 사용, 예를 들어 필요한 산소 농축 공기 폐기 종 환자에 대 한 설립된 방법에서 질소를 만드는 데 사용 됩니다. 그러나, 전기의 더 많은 물의 전기 분해에 의해 수소를 만드는 데 사용 됩니다. 이 가스는 그림 2에서 개요로 표시 하는 과정에서 기존의 촉매를 통해 결합 됩니다. 반응 후 가스 응축 액체 암모니아를 장난으로 구분 됩니다. Uncondensed 암모니아로 서 unreacted 가스는 재활용.
파일럿 플랜트의 세부 사항 우리의 파일럿 플랜트, 미네소타 재생 수소와 암모니아 파일럿 플랜트의 대학에에서 전기 전원 공존된 1.65 MW 바람 터빈에서 제공 됩니다. 파일럿 플랜트는 미네소타 대학에서 사용 하는 나머지 전원 생성 되는 전력의 약 10%를 사용 하 여 모리스 캠퍼스.
수소 생산 시스템은 electrolyzer, 부스터 압축기, 열 냉각기를 사용합니다. 시간당 2400 psi 24를 사용 하 여에 저장 되는 수소 가스의 0.54 kg을 생산 하는이 시스템의 전기 kWh. 현장 우물에서 물 역 삼 투와 이온화 시스템을 사용 하 여 정화 이다. 물 다음 최대 15 L/h. 질소 질소 발생기, 사전 공기 압축기, 공기 건조 기, 그리고 부스터 압축기를 사용 하 여 생성의 속도로 electrolyzer에 공급 됩니다. 질소 가스는 약 6을 사용 하 여 2, 400 psi에 저장 kWh 전기의.
암모니아의 합성 사용자 정의 스키 드를 사용합니다. 그것은 20 kW 전기 히터, 냉동 냉각 루프, 반응 기, 압축기를 포함 한다. 스키 드 사용 약 28 시간 다음 150 psi에 저장 되는 암모니아의 2.7 k g 생산 전기 kWh. 암모니아 생산 공정 통합된 PLC와 HMI 시스템으로 제어 됩니다. 생산된 수소와 질소 18 질소 stora에 사이트에 저장 됩니다.ge 탱크 그리고 54 수소 저장 탱크입니다. 암모니아는 3100 갤런 선박 내에서 저장 된 현장 이기도합니다.
풍력 발전은 비싼 이 프로세스에 대 한 전기는 바람, 고 암모니아를 만들기 위한 연료는 화석 연료를 사용 하지 않고 무료, 그래서. 그러나,이 파일럿 플랜트에 대 한 자본 비용 암모니아 합성 및 수소 생산에 대 한 투자에 의해 지배 된다. 작업 날짜에 소규모 암모니아를 만드는 비용에 대해 두 번의 화석 연료에 기반 하는 기존의 암모니아는 것이 좋습니다. 우리는 우리의 프로세스를 최적화 하기 위해 계속, 하는 동안 우리는 소규모 바람 생성 된 암모니아는 현재 천연 가스 가격에 경쟁 하지 되지 않습니다 믿습니다. 만든 대량 암모니아 당 비용 줄일 수 있는 큰 전통적인 프로세스 또는 다른 프로세스에 의해 그런 자본 다음이이 문서에 설명 되어 있습니다.
흡수 과정:
흡수 강화 생산 암모니아 합성 용 촉매19지난 세기 동안 거의 변하지 않게 남아 있다. 결과적으로, 우리는이 연구에서 다른 접근을 실행 했다. 우리는 현재 촉매 및 작동 온도 적용 하지만 형성 되 자 마자 겸손 한 압력에서 암모니아를 흡수. 우리는 어떤 unreacted 수소와 질소를 재활용. 과정 개요로 그런 그림 3기존의 프로세스와 유사 하지만 층 흡수와 콘덴서를 교체.
초기 반응 속도 론 변경 되지 않습니다. 낮은 변환에이 시스템 실험이 시스템3,,1415,20,21 에 이전 연구의 많은 일치 하는 초기 반응 속도 표시 , 22 , 23, 그림 4와 같이. 왼쪽된 패널 강하게 온도 변화는 초기 속도 보여줍니다. 이러한 속도 또한 압력 변화, 오른쪽 패널에 표시 된 것 처럼 작은 변이 있습니다. 우리의 새로운 과정에서 우리 같은 촉매를 사용 하 여 비슷한 작동 조건, 하지만 낮은 압력에서 흡수를 사용 하 여 암모니아 생산을 개선 하는 방법을 추구. 우리는 따라서 암모니아 합성에 대 한 자본 비용을 줄이기 위해 희망.
흡수 강화 변환 우리의 작업에서 우리는 흡수의 작은 입자로 채워진 원통형 그릇은 포장된 침대 작은 과정에서 콘덴서 대체. 우리 absorbents를 염화 마그네슘과 염화 칼슘11,24의 주로 강조 했다. 이러한 ammine absorbents는 2 개의 효력이 있다. 첫째, 그들은 가까운 0에 재활용된 가스에 암모니아 농도 줄일. 둘째, 그들은 효과적으로 제로 근처에 분리에 대 한 시간을 줄일. 이 전략은 생산25,,2627이다. 예를 들어 그림 5에서 우리는 비례 총 압력에 드롭 하는 시스템에서 암모니아를 만드는 속도가 없이 보다 흡수와 훨씬 더 보여줍니다. 특히, 90 바, 빨간 원으로 표시 된 반응이, 흡수와 반응 보다 덜 완전 한 파란색 삼각형27여. 이것은 진정한도 흡수 하지 않고 반응 일어난다 압력에 거의 두번 흡수와 반응 의입니다. 이전 실험 (여기에 표시 되지)에서 우리는 또한 궁극적인 변환 프로세스의 흡수와 95% 이상만 흡수 하지 않고 약 20%는 보였다.
반응의 속도 없이 보다 훨씬 적은 흡수와 온도 따라 다릅니다. 이 그림 6에 다시 시간27 대 총 압력으로 암모니아 종합 보고서에 표시 됩니다. 60 ° C에서 반응 온도 변경 반응 속도에 작은 효과가 있다. 이 그림 4의 크기 거의 순서 반응 속도의 변화를 보여주는 초기 속도와 대조 됩니다. 그림 4 와 그림 6 에 결과 되므로 다른 역 반응의 효과 감소 하기 때문에 화학 반응 속도 론은 더 이상 유일한 단계 전반적인 속도 대 한 책임.

<table><tbody><tr><td>Experimental Apparatus</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnesium Chloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>7786-30-3</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>염화칼슘</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10043-52-4</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Ultra Pure Hydrogen</td><td>Matheson</td><td>SG</td><td>PHYF30050 New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Ultra Pure Nitrogen</td><td>Matheson</td><td>SG G1881112</td><td>뉴 브라이튼, 미네소타</td></tr><tr><td>철 기반 촉매</td><td>Clariant / Sud Chemie-Charlotte</td><td></td><td>, NC</td></tr><tr><td>가변 피스톤 펌프</td><td>PumpWorks Inc.</td><td>PW2070N</td><td>미네소타주 미니애폴리스</td></tr><tr><td>오메가 세라믹 히터</td><td>Omega</td><td>CRFC-36/115-A</td><td>스탬포드, CT</td></tr><tr><td>PID 컨트롤러</td><td>Omega</td><td>CN96211TR</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>신호 컨디셔너</td><td>Omega</td><td>DRG-SC-TC</td><td>스탬포드, CT</td></tr><tr><td>압력 변환기</td><td>WIKA</td><td>50426877</td><td>Lawrenceville, Georgia</td></tr><tr><td>질량 유량 컨트롤러</td><td>Brooks 기기</td><td>SLA5850</td><td>Hatefield, PA</td></tr><tr><td>Name</td><td>Company</td><td>카탈로그 번호</td><td>Comments</strong</td></tr><tr><td>>Pilot Plant</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Electrolyzer</td><td>Proton OnSite</td><td>H6 시리즈</td><td>Wallingford, CT</td></tr><tr><td>가스 부스터</td><td>PDC 기계</td><td>3 2500&nbsp;</td><td>워민스터, 펜실베이니아</td></tr><tr><td>풍력 터빈</td><td>Vestas</td><td>V82</td><td>포틀랜드, OR</td></tr><tr><td>냉각기</td><td>열 관리</td><td>SQ 시리즈</td><td>나일스, 일리노이</td></tr><tr><td>정수기</td><td>Elga Pure Lab</td><td>S-15</td><td></td></tr><tr><td>질소 발생기</td><td>혁신적인 가스 시스템</td><td>NS-10</td><td>Huoston, TX</td></tr><tr><td>공기 압축기</td><td>하이드로 베인</td><td>HV05</td><td></td></tr></tbody></table>

저압에서 암모니아 합성

Ammonia Synthesis at Low Pressure

암모니아는 암모니아 선택적 흡수의 사용에 의해 낮은 압력에서 합성 수 있습니다. 바람 에너지, 합성 비료를 위한 암모니아를 필요로 하는 분야에서 로컬로 사용할 수 있는 프로세스를 구동 수 있습니다. 그것은 직접 사용 될 수 있는 인구 센터에서 멀리 수만 있기 때문에 이러한 풍력 에너지 "좌초" 라고 자주 합니다.
제안 된 낮은 압력 과정에서 질소는 공기 압력 그네 흡수를 사용 하 여 고 수소는 물의 전기 분해에 의해 생산 됩니다. 이러한 가스는 약 400 ° C 승격된 기존의 촉매의 존재에서 반 작용할 수 있다, 하는 동안 변환 종종 높은 압력에서 유일 하 게 가능한 시키는이 반응을 역 반응에 의해 제한 됩니다. 이 한계는 ammine 같은 칼슘 또는 마그네슘 염화 물에 흡수 하 여 제거할 수 있습니다. 같은 알칼리 금속 할로겐 효과적으로 반응의 평형 제약을 억제 하므로 암모니아를 제거할 수 있습니다. 제안 된 흡수 강화 된 암모니아 합성 과정에서 반응의 속도 수 있습니다 다음 제어할 수 화학 속도 론도 흡수 속도 의해 아닙니다 그러나 unreacted 가스의 재활용의 속도 의해. 결과 기존의 소규모 하버-보쉬 프로세스에서에서 만든 암모니아와 호의적으로 비교 합니다.

그림 1에서 보듯이 모리스, 미네소타에서 파일럿 플랜트 바람을 사용 하 여 로컬 암모니아 제조18에 대 한 타당성을 설명 했다. 바람은 질소와 공기의 압력 그네 흡수를 통해 및 물, 전기 분해를 통해 수소를 각각 확인 하는 데 사용 되는 전기를 생성 합니다. 원자로 만드는 암모니아 질소와 수소 가스를 결합 하 여 기존의 촉매를 사용 합니다. 다음 암모니아는 콘덴서를 사용 하 여 구분 합니다.
여기 설명 하는 방법을 어떤 unreacted 수소와 질소를 재활용 하는 과정을 포함 합니다. 전체 절차는 콘덴서 층 흡수로 대체를 제외 하 고 그림 3기존의 프로세스 증명 비슷합니다. Absorbents는 주로 염화 마그네슘과...

암모니아 기존의 촉매는 암모니아 선택적 흡수 제를 사용 하 여 낮은 압력에서 합성 될 수 있다.

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 ...

이 절차의 전반적인 목표는 저압 공정에서 공기, 물 및 풍력 발전 에너지를 이용하여 이산화탄소 배출이 거의 없는 암모니아를 생산하는 것입니다. 이 방법은 반응 효율, 생성물 분포 및 이산화탄소 배출과 같은 암모니아 생산의 주요 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 공정은 응축기 대신 고체 암모니아 선택 흡착제를 사용합니다.시스템에서 암모니아를 지속적으로 제거하면 역화학 반응의 발생 빈도가 감소합니다. 이 공정의 주요 장점은 더 낮은 압력에서 수행할 수 있어 더 안전하고 비용이 적게 든다는 점입니다. Cory Marquart와 저는 일반적인 공장보다 30,000배 작은 규모의 기존 공정 플랜트를 운영하고 있습니다.이는 흡수 공정과 비교하기 위한 기준을 제공합니다. Mike Reese와 Cory Marquart가 미네소타주 모리스에 있는 기존 소규모 플랜트를 운영하고 있습니다. 흡수 기반 공정의 시연은 저희 연구실 소속 박사후 연구원인 Mahdi Malmali가 맡을 예정입니다.공정을 시작하기 전에, 암모니아 생성 장치를 가동하고 촉매 반응기의 온도를 440 °C까지 올리십시오. 응축기 온도는 -18 °C로 설정하십시오. 그 다음, 공기 건조기, 공기 압축기 및 질소 발생기를 켜십시오.질소 공급 탱크를 채우기 위해 질소 가스 부스터를 켭니다. 칠러, 초순수 제조 장치, 전해조 및 수소 가스 부스터를 켭니다. 칠러가 정상적으로 작동하고 냉각액이 흐르고 있는지 확인합니다.다음으로 질소 유입 레귤레이터를 300 PSI로 설정하십시오. 질소 밸브를 열어 프로세스 스키드에 가압을 시작합니다. 스키드가 300 PSI에 도달하면 질소 바이패스 밸브를 닫으십시오.그 다음, 수소 유입 레귤레이터를 1,200 PSI로 설정하고 수소 밸브를 엽니다. 스키드 압력이 1,200 PSI에 도달하면 수소 밸브를 닫습니다. 스키드를 가동하여 1:3 질소-수소 혼합 가스를 시스템 내로 순환시키기 시작합니다.공정이 완료되면, 응축된 암모니아를 150 PSI로 저장하십시오. 반응기를 준비하려면, 막자와 유발을 사용하여 촉매 입자를 1mm 미만 크기로 분쇄하십시오. 분쇄된 촉매를 0.25인치 튜브에 충진하십시오.흡수제를 준비하려면, 80 g의 염화 칼슘 또는 그와 동등한 양의 다른 암모니아 선택적 흡수제를 내경 2.3 cm, 길이 30 cm의 컬럼에 충전하십시오. 흡수제가 고정될 수 있도록 컬럼의 양 끝을 충분한 충전 지지 물질로 막으십시오. 준비된 흡수제와 반응기를 실험 장치에 설치하십시오.촉매 활성화를 완료하기 위해 500 SCCM의 수소를 반응기에 흘려주면서 권장된 활성화 온도 절차에 따라 반응기를 450 °C까지 가열하십시오. 시스템이 유휴 상태일 때는 활성화된 촉매를 초고순도 질소 가스로 덮어 유지하십시오. 암모니아 생성 공정을 시작하려면 배출 밸브를 닫고 반응기를 400 °C로, 흡수기를 180 °C로 승온시키십시오.시스템에 가압과 배기를 반복하여 초고순도 질소 가스로 퍼지하십시오. 그런 다음, 질소와 수소 가스를 1:3 비율로 혼합하여 시스템에 가압하십시오. 질소 및 수소 질량 유량 제어기를 정지시키십시오.반응기 입구 밸브를 닫습니다. 반응기 출구 밸브를 열고 재순환 펌프를 가동합니다. 반응이 시작됨에 따라 반응기와 흡수제의 온도를 모니터링하고, 발열 공정을 보완하기 위해 필요에 따라 온도를 조절합니다.시스템 압력의 시간당 변화량이 감소하여 흡착제에서 파과가 시작될 때까지 또는 5시간 동안 공정을 진행하십시오. 질소 유입 밸브와 암모니아 유출 밸브를 열고 시스템을 대기압으로 낮추십시오. 암모니아를 제거하기 위해 흡착제를 5시간 동안 가열하면서 100 SCCM의 속도로 시스템에 질소를 흐르게 하십시오.기존 방식에서 사용되는 고압 환경은 고온에서 정반응이 우세하게 일어나도록 하기 위해 필요합니다. 저압 분리법에서는 암모니아가 역반응을 일으키기 전에 더 완전하게 분리됩니다. 그 결과, 기존 방식과 비교하여 전환율이 유의미하게 증가하는 것이 관찰되었습니다.분리법의 초기 반응 속도는 기발표된 수치 및 별도의 화학 반응 속도론 실험 결과와 일치하였습니다. 반응 흡수법의 초기 반응 속도에서는 온도 변화가 관찰되었습니다. 전체 반응 속도는 온도 의존성이 훨씬 낮게 나타났으며, 이는 촉매 반응 속도가 분리법의 전환율을 결정짓는 주요 제한 요인이 아님을 시사합니다.흡착제는 시스템에서 암모니아를 효율적으로 제거했으나, 사이클이 반복될수록 컬럼의 용량이 감소했습니다. 흡착 컬럼의 수명을 연장하기 위한 연구가 진행 중입니다. 흡착 속도론은 암모니아 생성의 유의미한 제한 요인이 아닌 것으로 나타났습니다.재순환 유량이 반응 속도와 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 이는 해당 유량이 공정의 주요 제어 단계임을 나타냅니다. 이 공정은 공기, 물, 바람을 이용하여 암모니아를 생성할 수 있습니다. 공기와 물은 각각 압력 변동 흡착과 전기분해를 통해 질소와 수소의 공급원이 됩니다.이 공정에 필요한 에너지는 바람에서 얻습니다. 하버-보슈법은 전 세계 인구의 상당 부분에게 식량을 공급하는 1세기 된 반응입니다. 이를 개선하려는 시도는 위험성이 크지만 잠재적인 보상 또한 매우 높습니다.본 연구의 원래 아이디어는 미네소타 농촌 지역의 가족 농장들이 질소 비료를 더 자급자족할 수 있도록 만드는 것이었습니다. 바람 기반의 에너지를 액체 암모니아 형태로 저장함으로써 에너지 부족 도시를 위한 연료를 제공할 수 있다는 가능성은 예상치 못한 성과였습니다. 흡수 기반 공정의 핵심은 암모니아가 생성될 때 이를 효율적으로 포집할 수 있는 안정적이고 재사용 가능한 흡착제를 개발하는 것입니다.기존의 응축기를 흡착 베드로 교체함으로써, 소규모 제조에 적합하고 더 저렴하며 안전한 암모니아 생성 공정에 더 가까워졌습니다.

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

여기서 같은 그들의 안정성 및 소수성을 향상시키기 위해 금속 - 유기 프레임 워크와 같은 미세 다공성 물질에 퍼플 루오로 알칸의 플라즈마 강화 화학 기상 증착을위한 절차가 설명된다. 또한, 샘플의 밀리그램 양의 돌파 테스트를 상세히 설명한다.

플라즈마 통해 소수성 유기 금속 프레임 워크의 제조 암모니아의 제거에 대한 퍼플 루오로 알칸의 화학 증착을 강화

암모니아는 다양한 질병 및 건강 상태와 관련된 중요한 생리학적 대사 산물입니다. 또한 호흡에서 측정하기 어려운 분자이므로 정확한 결과를 얻기 위해 특별한 예방 조치를 취해야 합니다. 암모니아에 영향을 미치는 모든 요인이 알려진 것은 아니지만 이러한 요인을 고려하지 않고는 진행이 어려울 수 있습니다.

빠르고 정확한 날숨 암모니아 측정

여기, 선물이 채널3NH3의 합성에 대 한 프로토콜 I, CH3NH3Br 선구자 및 pinhole, 지속적인 채널3NH PbI3-xBrx 3박막에 대 한 이후 형성 된 고효율 태양 전지 및 다른 광전자 장치에 응용 프로그램.

가변 밴드 갭 Pinhole 무료 Methylammonium 리드 할로겐 페로 영화에 대 한 낮은 압력 증기를 이용한 솔루션 과정

암모니아 섬유 확장(AFEX)은 리그노셀룰로오스 바이오매스(예: 옥수수 스토버, 쌀 빨대 및 사탕수수 바가세)를 바이오 연료 및 동물 사료 응용 분야에서 소화가 좋은 공급 원료로 전환할 수 있는 열화학 전처리 기술입니다. 여기에서는 리그노셀룰로오스 바이오매스에서 AFEX 전처리를 수행하기 위한 실험실 규모의 방법을 설명합니다.

암모니아 섬유 확장 (AFEX) 리그노셀룰로오스 바이오매스의 전처리

여기 선물이 CO2의 낮은 중간 압력 아래 간단한 반응 용기에 반응을 수행 하기 위한 프로토콜. 반응 비용 또는 정교한 장비 또는 설정에 대 한 필요 없이 드라이 아이스의 형태로 이산화탄소를 관리 하는 것 만으로도 혈관의 다양 한 수행할 수 있습니다.

단단한 CO2 원본으로 드라이 아이스를 사용 하 여 밀봉된 용기에 적당 한 압력을 달성

14NH4+15NH4+분석을 기반으로 잠재적 DNRA 속도를 결정하는 일련의 방법이 자세히 제공됩니다.+ NH4+ 여러 단계를 통해 N2O로 변환하고 쿼드러폴 가스 크로마토그래피 - 질량 분석법을 사용하여 분석된다.

14NH4+/15NH4+ N2O로순차적변환을 통한 분석 에 따른 암모늄에 대한 질산염 감소의 잠재적 비율 측정

우리는 고압 세포를 조립하고, 고압 NMR 실험을 설정하고 기록하고, 마지막으로 압력하에서 피크 강도 와 화학 적 변화 변화를 모두 분석하는 데 필요한 단계에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 이 실험은 단백질의 접이식 통로 및 구조적인 안정성에 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

단백질 저거짓말 형성 상태를 검출하기 위한 고압 NMR 실험

여기에서는 수소 생산을 위해 Co- 및 N- 도펀트와 함께 탄소 나노 튜브에 담지된 Co 나노 입자를 합성하는 프로토콜을 제시합니다.

도핑 된 Co 및 N 원자를 갖는 탄소 나노 튜브에지지 된 금속 나노 입자의 합성 및 수소 생산에서의 촉매 응용

우리는 은색 씨앗 중재의 성장 방법을 사용하여 별 모양의 골드 nanostars을 합성. nanostars의 직경이 200-300 nm의 범위에서 및 도움말의 숫자 7에서 10에 따라 다릅니다. nanoparticles는 가까운 적외선 중심으로 광범위한 표면 plasmon 공진 모드를있다.

실버 씨앗 중재 성장 방법과 골드 Nanostar 합성

이 프로토콜은 초점 유착 형성과 transmembrane 매트릭스 수용체, syndecan-4의 포용을 흉내낸하여 Rac1 활성화를 몰고 낮은 강도 펄스 초음파와 교양 섬유아 세포의 자극에 대해 설명합니다. 이러한 접근 방식함으로써 치료의 섬세한 기회를 제공하고, 세포 수준에서 성공적인 임상 기술의 조사를 허용합니다.

낮은 강도의 초음파를 사용하여 접착 종속 신호의 유도

배우세요 저압 환경에서 고체 흡수체를 이용한 암모니아 합성 방법을. 이 기술은 재생에너지를 활용하여 탄소 배출을 최소화하고 반응 효율을 높이는 지속가능한 화학공정 연구에 활용됩니다.

저압에서 암모니아 합성

더 많은 동영상 탐색