저압에서 암모니아 합성

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.