저압에서 암모니아 합성

이 절차의 전반적인 목표는 이산화탄소 배출량을 무시할 수 있는 저압 공정에서 공기, 물 및 풍력 발전 에너지에서 암모니아를 생산하는 것입니다. 이 방법은 반응 효율, 제품 분배 및 이산화탄소 배출과 같은 암모니아 생산의 주요 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 공정은 응축기가 아닌 고체 암모니아 선택 흡수제를 사용합니다.

시스템에서 암모니아를 지속적으로 제거하면 역 화학 반응의 발생이 줄어듭니다. 이 프로세스의 주요 장점은 더 안전하고 저렴한 더 낮은 압력에서 수행할 수 있다는 것입니다. 코리 마쿼트(Cory Marquart)와 저는 일반 공장보다 30,000배 작은 기존 공정을 위한 공장을 운영하고 있습니다.

이것은 흡수 공정과 비교할 수 있는 표준을 제공합니다. 마이크 리스(Mike Reese)와 코리 마쿼트(Cory Marquart)는 미네소타주 모리스(Morris)에서 전통적인 소규모 공장을 운영하고 있습니다. 흡수 기반 과정을 시연하는 것은 우리 실험실과 제휴한 박사 후 연구원인 Mahdi Malmali가 될 것입니다.

공정을 시작하기 전에 암모니아 생성 공장을 가동하고 촉매 반응기를 섭씨 440도까지 올리십시오. 콘덴서 온도를 섭씨 영하 18도로 설정합니다. 다음으로 에어 드라이어, 공기 압축기 및 질소 발생기를 켭니다.

질소 가스 부스터를 켜서 질소 공급 탱크를 채웁니다. 냉각기, 물 탈이온화 장치, 전해조 및 수소 가스 부스터를 켭니다. 냉각기가 작동 중이고 냉각 액체가 흐르고 있는지 확인하십시오.

그런 다음 질소 주입구 조절기를 300PSI로 설정합니다. 질소 밸브를 열어 공정 스키드에 압력을 가하기 시작합니다. 스키드가 300PSI에 도달하면 질소 바이패스 밸브를 닫으십시오.

그런 다음 수소 주입구 조절기를 1, 200PSI로 설정하고 수소 밸브를 엽니다. 스키드가 1, 200PSI에 도달하면 수소 밸브를 닫습니다. 스키드를 시작하여 시스템을 통해 1-3 질소-수소 가스 혼합물을 순환하기 시작합니다.

프로세스가 완료된 후 응축된 암모니아를 150PSI로 보관하십시오. 반응기를 준비하려면 모르타르와 절굿공이를 사용하여 촉매 입자를 1mm 미만의 크기로 분쇄합니다. 접지 촉매를 0.25인치 튜브에 포장합니다.

흡수제를 준비하려면 80g의 염화칼슘 또는 이에 상응하는 양의 다른 암모니아 선택적 흡수제를 내경이 2.3cm인 30cm 컬럼에 포장합니다. 흡수제를 고정할 수 있도록 충분한 패킹 지지 재료로 컬럼 끝을 막습니다. 실험 장치에 흡수기와 반응기를 설치하십시오.

권장 활성화 온도 절차를 사용하여 반응기를 섭씨 450도까지 가열하는 동시에 500SCCM에서 반응기를 통해 수소를 흐르게 하여 촉매 활성화를 완료합니다. 시스템이 유휴 상태일 때 활성 촉매를 초순수 질소 가스 담요 아래에 보관하십시오. 암모니아 생성 공정을 시작하려면 출구 밸브를 닫고 반응기를 섭씨 400도로, 흡수기를 섭씨 180도까지 램프합니다.

시스템을 반복적으로 가압 및 환기시켜 초순수 질소 가스로 시스템을 세척합니다. 그런 다음 질소와 수소 가스의 1:3 혼합물로 시스템을 가압합니다. 질소 및 수소 질량 유량 컨트롤러를 중지합니다.

반응기 입구 밸브를 닫습니다. 반응기 배출 밸브를 열고 재순환 펌프를 시작합니다. 반응이 시작될 때 반응기 및 흡수기 온도를 모니터링하고 발열 과정을 보상하기 위해 필요에 따라 조정합니다.

5시간 동안 또는 시간이 지남에 따라 시스템 압력의 변화가 감소하는 것으로 표시된 대로 흡수기가 파손되기 시작할 때까지 프로세스를 실행합니다. 질소 주입구 밸브와 암모니아 배출 밸브를 열고 시스템을 대기압으로 줄입니다. 100 SCCM에서 시스템을 통해 질소를 흐르게 하면서 흡수체를 5시간 동안 가열하여 암모니아를 방출합니다.

기존 방법에 사용된 고압은 고온에서 순방향 반응을 선호하기 위해 필요합니다. 저압 분리 방법에서는 암모니아가 역반응을 겪기 전에 더 완전히 분리됩니다. 종래의 방법에 비해 전환율의 현저한 증가가 관찰되었다.

분리 방법의 초기 반응 속도는 발표된 값 및 별도의 화학 역학 실험과 일치했습니다. 온도 변화는 반응 흡수 방법의 초기 반응 속도에서 관찰되었습니다. 전체 반응 속도는 온도 의존성이 훨씬 적었으며, 이는 촉매 반응 속도가 분리 방법의 전환율에 대한 주요 제한 요인이 아님을 나타냅니다.

흡수제는 시스템에서 암모니아를 효율적으로 제거했지만 각 주기 후에 컬럼의 용량이 감소했습니다. 흡수 칼럼의 수명 연장에 대한 조사가 진행 중입니다. 흡수 역학은 암모니아 생산에 대한 상당한 제한 요인으로 밝혀지지 않았습니다.

재순환 유속은 반응 속도와 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌으며, 이는 이것이 공정의 주요 제어 단계임을 나타냅니다. 이 과정은 공기, 물 및 바람에서 암모니아를 만들 수 있습니다. 공기와 물은 각각 압력 스윙 흡수와 전기 분해에 의한 질소와 수소의 공급원입니다.

이 과정을 위한 에너지는 바람에서 나옵니다. 하버-보쉬 공정은 전 세계 인구의 상당 부분을 먹여 살리는 100년 된 반응입니다. 이를 개선하려는 시도는 위험이 높고 잠재적으로 높은 보상이 있습니다.

이 작업에 대한 우리의 원래 아이디어는 미네소타 시골의 가족 농장에서 질소 비료를 더 자급자족할 수 있도록 하는 것이었습니다. 풍력 기반 에너지를 액체 암모니아로 저장하여 에너지가 부족한 도시를 위한 연료로 사용할 수 있다는 약속은 예상치 못한 이득이었습니다. 흡수 기반 공정의 핵심은 암모니아가 생산될 때 효율적으로 포획하는 안정적이고 재사용 가능한 흡수제를 개발하는 것입니다.

기존의 응축기를 흡수성 베드로 교체함으로써 소규모 제조에 적합한 더 저렴하고 안전한 암모니아 생성 공정에 더 가까워졌습니다.