Name: Synthese van ammoniak bij lage druk (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Leer de synthese van ammoniak bij lage druk met een vaste absorberend materiaal in plaats van een condensor. Deze methode verhoogt de reactie-efficiëntie en vermindert CO2-emissies aanzienlijk.

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

Dit werk werd vooral gesteund door ARPA-E, een deel van het ons ministerie van energie, door het Minnesota milieu en natuurlijkehulpbronnen Trust Fund, zoals aanbevolen de wetgevende-burger Commissie over Minnesota middelen en door MNDRIVE, een initiatief van de Universiteit van Minnesota. Aanvullende steun kwam uit de Dreyfus-Stichting.

1. pilot Plant Start-up <ol><li>stikstof productiesysteem <ol><li>beurt op de lucht droger, de luchtcompressor en de stikstof generator. Controleer of er ten minste 800 kPa van lucht in de lucht compressor tank. Dit houdt stikstof te sturen naar de buffertank totdat er niet meer dan 0.004% (40 ppm) zuurstof in de stikstof is.</li>
		<li>Inschakelen de stikstof gas booster. De gas booster begint te vullen de stikstof levering tanks, bij druk zo hoog als 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Waterstof productiesysteem <ol><li>inschakelen de chiller, het water deionization-unit en de electrolyzer. De electrolyzer zal niet werken zonder een ontluchting systeem, omdat er een flowsensor dat maatregelen van de negatieve druk ontluchting om te laten de electrolyzer beginnen. De waterstof wordt geproduceerd met een tarief van 0,54 kg/h, en de uitlaatdruk zullen ongeveer 1,5 MPa.</li>
		<li>Inschakelen de waterstof gas booster. Controleer of de chiller is operationeel en de koeling vloeistof stroomt door. De waterstoftanks voor levering zal worden gevuld tot 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Ammoniak skid start-up <ol><li>gebruik van de computer in de controlekamer het volgende te doen: <ol><li>Controleer de nooduitgangen voor de bouw of.</li>
			<li>Ervoor te zorgen dat de concentraties van het zuurstof, waterstof en ammoniak in het gebouw minder dan 20%, 19 pag/min, 35 ppm, respectievelijk en zijn.</li>
			<li>Verifiëren dat de waterstof en stikstof levering tanks ten van 17 MPa laste zijn.</li>
			<li>Ervoor te zorgen dat de ammoniak sampler en de kleppen van de tank gewicht worden overgeslagen.</li>
			<li>Oefenen de skid met stikstof door de skid &#39; s stikstof inlaat regelgever 2.5 MPa. De stikstof drukregelaar ingesteld op 300 psi en vervolgens te openen de stikstof bypass klep te vullen de skid met stikstof tot 300 psi. Sluit de klep van de stikstof wanneer die druk is bereikt. De waterstof regelmatige ingesteld op 1.200-psi en open de klep van de waterstof zodat de skid te vullen tot 1.200-psi. Sluit vervolgens de waterstof bypass klep.</li>
			<li>Opent de ingangsafsluiter waterstof en stelt u de skid &#39; s waterstof inlaat regelgever 10 MPa.</li>
			<li>De NH 3 drukregelaar ingesteld op 1 MPa.</li>
			<li>De GUI controle software kunt sluiten/openen meerdere bypass kranen op de pallet en de compressor de lucht kleppen.</li>
			<li>Gebruik van de GUI controle software om te schakelen van een paar van de PID-controllers om ervoor te zorgen dat de slip wordt gevoed met een verhouding 1:3 tussen N 2: H 2.</li>
			<li>Van de controlekamer, en met behulp van de master GUI controle software, start de skid. De compressor begint te recirculate het gas in de slip, en het injecteren van de verse feed.</li>
			<li>In de GUI controle software, de reactie en condensatie temperatuur instellen. De reactor en condensor temperaturen zijn opgenomen bij 440 ° C en -25 ° C, respectievelijk de. 
			Opmerking: Het duurt maximaal 4 dagen voor de reactor te krijgen tot de temperatuur instelpunt en bereiken een steady-state toestand.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 2. Experimentele apparatuur Start-up <ol><li>Reactor voorbereiding en vermindering van de <ol><li>Weigh 3 g van het vooraf verlaagde katalysator. De grootte van de deeltjes van de katalysator-deeltjes te verminderen tot minder dan 1 mm met behulp van een mortier en een stamper.</li>
		<li>Laden de katalysator in 0.25 in buis en plaatsen van kwarts wol aan beide zijden.</li>
		<li>Gebruiken een PID-regelaar, en verhogen de temperatuur van de reactor tot de temperatuur van de reactie (400 ° C) met de juiste oprijplaten, terwijl vloeiende waterstof door de reactor met een debiet van 500 standaard kubieke centimeter per minuut (SCCM). Gebruik de hellingshoek (samengevat in tabel 1). 
		Opmerking: De temperatuurverhoging van de moet erg glad om te verkrijgen van de juiste catalyst activiteit.</li>
		<li>Verdere vermindering voor 24 h. Zorg ervoor dat geen lucht of onzuiverheid in aanraking met de katalysator komt. Houd altijd de reactor onder een stikstof deken.</li>
	</ol></li> <li>Absorber voorbereiding <ol><li>80 g van de CaCl 2 absorberend laden in de kolom absorber (ID: 2,3 cm, lengte: 30 cm). Volgens verschillende absorberend maten, verschillende absorber verpakking ondersteunt aan beide zijden van de schokdemper zal worden gebruikt om te immobiliseren het ingepakte bed.</li>
		<li>Om te verwijderen elke vochtigheid, verhogen de temperatuur van de schokdemper tot 350 ° C terwijl vloeiende stikstof met het debiet van 200 SCCM voor 24 h.</li>
	</ol></li> <li>Starten reactie scheiding tests <ol><li>de reactor en absorber temperatuur tot 400 ° C en 180 ° C, respectievelijk te verhogen. 
		Opmerking: De hellingen van de juiste temperatuur van het gebruik om de temperatuur van de reactor te verhogen. Gebruik transformatoren de temperatuurregeling om vloeiender te maken. Houd het systeem in de inactieve stand onder de stikstof deken. Voordat u begint een test, belasten van het systeem met stikstof 5 MPa een paar keer, en laat de druk.</li>
		<li>De GUI gebruiken om te controleren de waterstof en stikstof massastroom controllers.</li>
		<li>Laad het apparaat aan de doelgroep druk met stikstof en waterstof, met de verhouding van 1:3.</li>
		<li>Zodra het doel druk is bereikt, sluiten de kleppen van de inlaat, opent u het bedrijfsventiel van de reactor en de circulatiepomp inschakelen. Vanwege de exotherme reactie en absorptie, wellicht de reactor en absorber temperaturen meer zorgvuldige controle aan het begin van het proces.</li>
		<li>Blijven de test voor 5 h, tot het punt wanneer de absorptiefles te doorbraak begint.</li>
	</ol></li> <li>Desorptie van ammoniak <ol><li>opent de inlaat en uitlaat kleppen.</li>
		<li>Verminderen het systeem &#39; s druk aan de atmosferische druk en verhogen de temperatuur van de schokdemper terwijl vloeiende stikstof met een debiet van 100 SCCM voor 5 h aan de ammoniak uit het absorberend materiaal desorb.</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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Kritische stappen van het experimentele reactie-absorptie-apparaat:
Zorg ervoor dat er geen verontreinigingen in het systeem van stikstof en waterstof. De absorberend materiaal zal veranderen na elke cyclus. In de meeste gevallen, bij hoge temperatuur en in aanwezigheid van ammoniak, de absorberende materialen smelten en vormen een grote massief beton. Volgens de thermodynamische eigenschappen van elke HQI en complexe ammine, moeten de vereiste temperatuur voor absorptie en desorptie worden gebru...

Ammoniak is een belangrijke industriële chemische stof. Het wordt geproduceerd door het Haber - Bosch proces, die bekend als één van de belangrijkste vernieuwingen van de 20th century1,2 staat. Synthese van ammoniak wordt uitgevoerd in de aanwezigheid van een heterogene katalysator bij verhoogde temperaturen (&#62; 375 ° C) en druk (&#62; 100 bar)3. Dergelijke hoge temperatuur en druk eisen maken ammoniak synthese zeer energie - en kapitaalintensieve. Ongeveer 150 miljoen ton van de ammoniak worden geproduceerd elk jaar4, die goed is voor 1-3% van's werelds energieverbruik, 5% van het verbruik van aardgas, en tot 3% van het veranderende klimaat gas emissies5,6, 7.
Ammoniak heeft twee belangrijke potentiële toepassingen. Ten eerste, is ammoniak een synthetische stikstof kunstmest1. Zonder deze kunstmest, zou de helft van de huidige populatie geen toegang hebben tot voldoende voedsel. Ten tweede, ammoniak kan dienen als een energiedrager, als een koolstofneutrale vloeibare brandstof of als een indirecte waterstof vervoerder8,9,10,11. Hernieuwbare hulpbronnen (bijv . wind) zijn meestal beschikbaar in dunbevolkte plattelandsgebieden, waar het kan worden vastgelegd; Dit type van geïsoleerde wind- en zonne-energie is "gestrande" genoemd. In dit scenario zijn de elektrische en thermische energie van de bron van hernieuwbare energie omgezet in energie-dichte klimaatneutrale vloeibare ammoniak. De vloeibare ammoniak geproduceerd kan vervolgens worden verzonden naar stedelijke centra, waar het rechtstreeks kan worden gebruikt in brandstofcellen ammoniak gebaseerde12 en inwendige verbranding motoren13, of het kan worden ontleed in waterstof en vervolgens worden gebruikt in waterstof-brandstofcellen of waterstof-stations. Dientengevolge, kunt wij de wind van de Amerikaanse prairies verplaatsen naar de drukke stedelijke gebieden van de VS
Vooral vanwege het gebruik van kunstmest is ammoniak vervaardiging een belangrijke industrie. Bij kamertemperatuur, de ammoniak synthese reactie is exotherm en vandaar — ten minste, in beginsel — spontane14, echter het bereiken van de reactie onder omgevingsomstandigheden is moeilijk vanwege de sterke stikstof-stikstof-band 15. om te overwinnen dit, Fritz Haber beroemde gebruikt hoge temperaturen te bereiken snel kinetiek, maar deze hoge temperaturen betekende dat de omgekeerde reactie de productie geremd. Verklein de remmingen van deze omgekeerde reactie en gebruikt Haber hogedruk ter verbetering van conversie. Hij voerde de grootschalige reactie in een pistool vat, die nog steeds de plant BASF in Ludwigshafen siert.
De noodzaak te gebruiken zowel hoge temperatuur en druk wanneer de reactie potentieel onder veel bescheidener voorwaarden uitvoert kon heeft gefrustreerd chemici voor meer dan een eeuw2. Zelfs na het proces werd gecommercialiseerd, Karl Bosch en een enorme cohort bij BASF gekarnd via het hele periodiek op zoek naar betere katalysatoren. Terwijl Bosch had weinig succes, wordt de zoekactie nog steeds. Zelfs vorig jaar, was een nieuw onderzoeksprogramma gericht op zoek naar een nieuwe katalysator begonnen16,17. De gedetailleerde chemie van de synthese van ammoniak is nu goed begrepen14, en als de zoektocht naar de nieuwe katalysator geslaagd is, het zou zeker de moeite waard. Echter, volgens ons de afgelopen mislukkingen verminderen de kans op succes in de toekomst.
Kleinschalige ammoniak synthese proces wordt beschreven in de volgende tekst, en de motivatie om een alternatieve proces te onderzoeken is uitgelegd.
Het kleinschalige proces:
Wind-Generated ammoniak Wij zijn het verbeteren van de Haber - Bosch proces voor de synthese van ammoniak, op zoek naar een veel kleiner en eenvoudiger proces wat lokaal kan worden bediend, maar produceert verwaarloosbare hoeveelheden kooldioxide. De haalbaarheid van lokale ammoniak vervaardiging uit wind is al gebleken in een proeffabriek gevestigd in Morris, MN, en getoond in Figuur 118. Morris zit op de Buffalo Ridge, een formatie van zestig mijl van glooiende heuvels in de zuidwestelijke hoek van Minnesota. De nok heeft ongewoon stabiele, sterke wind, rollend over de prairie. Dientengevolge, is het een Mekka voor het aandeel van elektriciteit uit wind.
Met deze elektriciteit vervaardigen wij al ammoniak uit wind, met behulp van deze plant die veertig duizend keer kleiner is dan de bestaande commerciële activiteiten voor fossiele brandstoffen. Sommige elektriciteit uit wind wordt gebruikt om stikstof uit de lucht door druk swing adsorptie, een gevestigde methode voor scheiding van de lucht gebruikt, bijvoorbeeld voor patiënten met longemfyseem hebben zuurstof verrijkte lucht. Echter meer van de elektriciteit wordt gebruikt voor het maken van waterstof door elektrolyse van water. Deze gassen worden gecombineerd in een conventionele katalysator in het proces dat wordt schematisch weergegeven in Figuur 2. Na de reactie, worden de gassen gescheiden door koeling als u wilt condenseren de vloeibare ammoniak. De spoorverontreiniging gassen, evenals de uncondensed ammoniak, worden gerecycleerd.
Details van de Pilot Plant In onze proeffabriek, de Universiteit van Minnesota duurzame waterstof en ammoniak Pilot Plant, wordt de elektrische energie geleverd door een co-located 1.65 MW windturbine. De pilot plant gebruikt ongeveer 10% van het vermogen gegenereerd, met de resterende macht gebruikt aan de Universiteit van Minnesota, Morris campus.
Het waterstof productiesysteem gebruikt een electrolyzer, een booster compressor en een thermische chiller. Dit systeem produceert 0,54 kg waterstofgas per uur, dat is opgeslagen op 2400 psi met 24 kWh elektriciteit. Water uit een on-site put wordt gezuiverd met behulp van een omgekeerde osmose en deionization systeem. Het water wordt dan geleverd aan de electrolyzer met een snelheid van maximaal 15 L/h. die stikstof is gegenereerd met behulp van een stikstof generator, een pre luchtcompressor, een lucht droger en een booster compressor. De stikstofgas wordt opgeslagen op 2400 psi met behulp van ongeveer 6 kWh elektriciteit.
De synthese van ammoniak gebruikt een aangepaste slip. Het omvat een compressor, een reactor, een koeling koeling lus en een 20 kW elektrische kachel. De skid gebruikt ongeveer 28 kWh elektriciteit te produceren van 2,7 kg van ammoniak per uur die vervolgens bij 150 psi opgeslagen wordt. Het productieproces van ammoniak wordt beheerd met geïntegreerde PLC en HMI systemen. De geproduceerde waterstof en stikstof worden opgeslagen in 18 stikstof stora ter plaatsege tanks en 54 waterstof opslagtanks. De ammoniak wordt ook opgeslagen ter plaatse binnen een vaartuig 3.100-gallon.
Windenergie is duur De elektriciteit voor dit proces bestaat uit de wind, en dus de brandstof voor het maken van ammoniak is gratis, zonder gebruik te maken van een fossiele brandstof. Echter, de kapitaalkosten voor deze pilot plant worden gedomineerd door de investeringen voor de productie van waterstof en voor de synthese van ammoniak. De verrichtingen tot op heden suggereren dat de kosten van het maken van kleinschalige ammoniak over tweemaal dat van conventionele ammoniak op basis van fossiele brandstoffen. Terwijl we doorgaan met onze proces optimaliseren, zijn wij van mening dat kleinschalige wind gegenereerd ammoniak niet concurreren tegen de huidige prijzen voor aardgas kunnen zal. De hoofdstad kost per massa ammoniak gemaakt zou kunnen worden verminderd door een grotere conventionele proces of door een alternatieve proces zoals dat beschreven volgende in dit document.
De absorptie-proces:
Absorptie verhoogt productie De katalysator voor de synthese van ammoniak gebruikt is tijdens de laatste eeuw19bijna onveranderd gebleven. Dientengevolge, hebben wij een andere benadering in dit onderzoek uitgevoerd. We passen de huidige katalysator en bedrijfstemperatuur, maar absorberen van ammoniak bij bescheiden druk zodra het is gevormd. We recyclen alle spoorverontreiniging waterstof en stikstof. Het proces is schematisch als die in Figuur 3, lijkt op het conventionele proces, maar met een ingepakte bed absorber ter vervanging van de condensor.
Eerste reactiekinetiek niet veranderen Experimenten met dit systeem op laag succespercentage tonen een eerste reactie tarief dat in overeenstemming is met veel van de eerdere studies op dit systeem3,14,15,20,21 , 22 , 23, zoals weergegeven in Figuur 4. Het linker paneel toont de eerste tarieven, die sterk met de temperatuur variëren. Hoewel deze tarieven ook met druk variëren, zijn de variaties kleiner, zoals wordt weergegeven in het rechter paneel. In onze nieuwe proces, we gebruiken de zelfde katalysator en soortgelijke bedrijfsomstandigheden, maar zoeken naar manieren om verbetering van de productie van ammoniak met behulp van absorptie bij een lagere druk. Wij hopen zo te verlagen van de kapitaalkosten voor de synthese van ammoniak.
Absorptie verbetert conversie In ons werk vervangen we de condensor in het kleine proces met een ingepakte bed, dat een cilindervormig vat gevuld met kleine deeltjes van het absorptiemiddel is. Wij hebben benadrukt sorbents gemaakt hoofdzakelijk uit magnesiumchloride en calcium chloride11,24. Dergelijke ammine sorbents hebben twee gevolgen. Ten eerste, ze verminderen de ammoniak concentratie aanwezig in de gerecycleerde gassen in de buurt van nul. Ten tweede, ze effectief verminderen de tijd voor scheiding aan in de buurt van nul. Deze strategie is productief25,26,27. Bijvoorbeeld in Figuur 5, laten we zien dat het tarief van het maken van ammoniak, die evenredig is aan de daling van de totale druk in het systeem is, veel groter met absorptie dan zonder is. Met name de reactie bij 90 bar, blijkt uit de rode cirkels, is minder volledig zijn dan de reactie met het absorberend, weergegeven door de blauwe driehoekjes27. Dit geldt ook al de reactie zonder absorberend plaats bij een druk bijna tweemaal dat van de reactie met absorptie vindt. In eerdere experimenten (hier niet afgebeeld), toonden we ook dat de uiteindelijke conversie van het proces ongeveer 20% zonder absorberend maar meer dan 95% met absorberend is.
De snelheid van reactie varieert veel minder met temperatuur met absorptie dan zonder. Dit is weergegeven in Figuur 6, dat opnieuw ammoniak synthese als totale druk versus tijd27 verslagen. Het wijzigen van de temperatuur van de reactie van 60 ° C heeft weinig effect op de reactiesnelheid. Dit in tegenstelling tot de aanvankelijke tarieven in Figuur 4, waarin een wijziging van de reactiesnelheid van bijna een orde van grootte. De resultaten in Figuur 4 en Figuur 6 zijn verschillend omdat het effect van de omgekeerde reactie is verlaagd, zodat de chemische kinetiek zijn niet langer de enige stap die verantwoordelijk zijn voor het algemene tarief.

<table><tbody><tr><td>Experimenteel apparaat</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnesiumchloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>7786-30-3</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Calciumchloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10043-52-4</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Ultra puur waterstof</td><td>Matheson</td><td>SG PHYF30050</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Ultra puur stikstof</td><td>Matheson</td><td>SG G1881112</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>IJzergebaseerde katalysator</td><td>Clariant/Sud Chemie</td><td>-</td><td>Charlotte, NC</td></tr><tr><td>Variabele plunpomp</td><td>PumpWorks Inc.</td><td>PW2070N</td><td>Minneapolis, MN</td></tr><tr><td>Omega keramische verwarmer</td><td>Omega</td><td>CRFC-36/115-A</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>PID-regelaar</td><td>Omega</td><td>CN96211TR</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>Signaalversterker</td><td>Omega</td><td>DRG-SC-TC</td><td>Stamford, CT</td></tr><tr><td>Druksensor</td><td>WIKA</td><td>50426877</td><td>Lawrenceville, Georgia</td></tr><tr><td>Massastroomregelaar</td><td>Brooks Instruments</td><td>SLA5850</td><td>Hatefield, PA</td></tr><tr><td>Naam</td><td>Bedrijf</td><td>Catalogusnummer</td><td>Opmerkingen</td></tr><tr><td>Proefinstallatie</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Elektrolyseur</td><td>Proton OnSite</td><td>H6-serie</td><td>Wallingford, CT</td></tr><tr><td>Gasbooster</td><td>PDC Machine</td><td>3 2500&nbsp;</td><td>Warminster, PA</td></tr><tr><td>Windturbine</td><td>Vestas</td><td>V82</td><td>Portland, OR</td></tr><tr><td>Koelmachine</td><td>Thermal Care</td><td>SQ-serie</td><td>Niles, IL</td></tr><tr><td>Waterreiniger</td><td>Elga Pure Lab</td><td>S-15</td><td></td></tr><tr><td>Stiekstofgenerator</td><td>Innovative Gas System</td><td>NS-10</td><td>Huoston, TX</td></tr><tr><td>Luchtcompressor</td><td>Hydrovane</td><td>HV05</td><td></td></tr></tbody></table>

synthese van ammoniak bij lage druk

Ammonia Synthesis at Low Pressure

Ammoniak kan gesynthetiseerd worden bij lage druk door het gebruik van een selectieve absorberend van ammoniak. Het proces kan worden gereden met windenergie, beschikbaar lokaal in gebieden die ammoniak voor synthetische meststof. Dergelijke windenergie wordt vaak genoemd "gestrande", want het is alleen beschikbaar verre van bevolking centra waar het rechtstreeks kan worden gebruikt.
In het voorgestelde lagedruk proces, stikstof bestaat uit de lucht met behulp van druk schommel absorptie en waterstof wordt geproduceerd door de elektrolyse van water. Terwijl deze gassen bij ongeveer 400 ° C in de aanwezigheid van een gepromoveerde conventionele katalysator reageren kunnen, is de conversie vaak beperkt door de omgekeerde reactie, waardoor deze reactie alleen haalbaar bij hoge druk. Deze beperking kan worden verwijderd door opslorping op een ammine-achtige calcium of magnesium chloride. Dergelijke alkalische metalen halogeniden kunnen effectief verwijderen van ammoniak, dus het onderdrukken van de beperkingen van het evenwicht van de reactie. In het voorgestelde absorptie-enhanced ammoniak synthese proces, kan de snelheid van reactie dan worden beheerd niet door de chemische kinetiek, noch de absorptie-tarieven, maar door de snelheid van het recycleren van spoorverontreiniging gassen. De resultaten vergelijken gunstig met ammoniak gemaakt van conventionele kleine schaal Haber - Bosch proces.

Een proeffabriek in Morris, MN heeft aangetoond dat de haalbaarheid van het gebruik van wind voor lokale ammoniak vervaardiging18, zoals afgebeeld in Figuur 1. De wind wekt elektriciteit, dat wordt gebruikt voor het maken van stikstof en waterstof via de absorptie van de schommel druk van de lucht en via de elektrolyse van water, respectievelijk. Een reactor gebruikt een conventionele katalysator te combineren van de stikstof en waters...

Ammoniak kan gesynthetiseerd worden bij lage druk met behulp van een conventionele katalysator en een selectieve absorberende van ammoniak.

Synthese van ammoniak bij lage druk

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 ...

Het algemene doel van deze procedure is om ammoniak te produceren uit lucht, water en door wind gegenereerde energie in een proces onder lage druk met verwaarloosbare koolstofdioxide-emissies. Deze methode kan helpen bij het aanpakken van cruciale kwesties bij de productie van ammoniak, zoals reactie-efficiëntie, productverdeling en koolstofdioxide-emissies. Het proces maakt gebruik van een vaste, specifiek geselecteerde ammoniak-absorber in plaats van een condensor.Door ammonia continu uit het systeem te verwijderen, wordt het voorkomen van de omgekeerde chemische reactie verminderd. Het belangrijkste voordeel van dit proces is dat het bij een lagere druk kan worden uitgevoerd, wat veiliger en goedkoper is. Cory Marquart en ik exploiteren een installatie voor het conventionele proces die 30.000 keer kleiner is dan typische installaties.Dit dient als standaard voor vergelijking met het absorptieproces. Mike Reese en Cory Marquart bedienen de conventionele kleinschalige installatie in Morris, Minnesota. Het absorptiegebaseerde proces zal worden gedemonstreerd door Mahdi Malmali, een postdoctoraal onderzoeker verbonden aan ons laboratorium.Voordat u met het proces begint, start u de ammoniakgeneratieinstallatie en brengt u de katalytische reactor naar 440 °C. Stel de temperatuur van de condensor in op -18 °C. Zet vervolgens de luchtdroger, de luchtcompressor en de stikstofgenerator aan.Schakel de stikstofgasbooster in om de stikstoftanks te vullen. Zet de chiller, de waterdeionisatie-unit, de elektrolyser en de waterstofgasbooster aan. Controleer of de chiller operationeel is en of de koelvloeistof stroomt.Stel vervolgens de stikstofinlaatregelaar in op 300 PSI. Open de stikstofklep om het procesframe onder druk te zetten. Sluit de stikstofbypassklep zodra het frame 300 PSI bereikt.Stel vervolgens de regulator van de waterstofinlaat in op 1.200 PSI en open de waterstofklep. Zodra het frame 1.200 PSI bereikt, sluit u de waterstofklep. Start het frame om het gasmengsel van stikstof en waterstof in een verhouding van één-op-drie door het systeem te laten circuleren.Nadat het proces is voltooid, wordt het gecondenseerde ammoniak opgeslagen bij 150 PSI. Om de reactor voor te bereiden, worden de katalysatordeeltjes met een vijzel en stamper vermalen tot een grootte van minder dan één millimeter. Vul de vermalen katalysator in buisjes van 0,25 inch.Om de absorber voor te bereiden, vult u een kolom van 30 centimeter met een binnendiameter van 2,3 centimeter met 80 gram calciumchloride of een equivalente hoeveelheid van een ander ammoniakselectief absorptiemiddel. Sluit de uiteinden van de kolom af met voldoende vulondersteuningsmateriaal om het absorptiemiddel te immobiliseren. Plaats de absorber en de reactor in de experimentele opstelling.Verwarm de reactor tot 450 °C volgens de aanbevolen procedure voor de activatietemperatuur, terwijl waterstof met een debiet van 500 SCCM door de reactor wordt geleid om de activering van de katalysator te voltooien. Houd de geactiveerde katalysator onder een laag ultra-zuiver stikstofgas wanneer het systeem in rust is. Om het proces van ammoniakgeneratie te starten, sluit de uitlaatklep en verwarm de reactor naar 400 °C en de absorber naar 180 °C.Spoel het systeem door herhaaldelijk het systeem onder druk te zetten en te ontluchten met ultrapuur stikstofgas. Zet het systeem vervolgens onder druk met een mengsel van stikstof- en waterstofgassen in een verhouding van één-op-drie. Stop de massastroomregelaars voor stikstof en waterstof.Sluit de inlaatklep van de reactor. Open de uitlaatklep van de reactor en start de recirculatiepomp. Monitor de temperaturen van de reactor en de absorber zodra de reactie begint en pas deze naar behoefte aan om te compenseren voor exotherme processen.Voer het proces vijf uur lang uit of tot de absorber verzadigd raakt, wat wordt aangegeven door een afname in de verandering van de systeemdruk over tijd. Open de stikstofinlaatklep en de ammoniakuitlaatklep en breng het systeem terug naar atmosferische druk. Laat stikstof met een debiet van 100 SCCM door het systeem stromen terwijl de absorber vijf uur lang wordt verhit om de ammoniak vrij te maken.De hoge drukken die in de conventionele methode worden gebruikt, zijn noodzakelijk om de voorwaartse reactie bij hoge temperaturen te bevorderen. Bij de scheidingsmethode onder lage druk wordt het ammoniak vollediger gescheiden voordat de omgekeerde reactie kan plaatsvinden. Er werd een significante toename in de omzettingssnelheid waargenomen ten opzichte van de conventionele methode.De initiële reactiesnelheden van de scheidingsmethode waren consistent met gepubliceerde waarden en afzonderlijke experimenten naar de chemische kinetiek. Temperatuurvariatie werd waargenomen in de initiële reactiesnelheden van de reactieabsorptiemethode. De totale reactiesnelheid vertoonde een veel geringere temperatuurafhankelijkheid, wat erop wijst dat de katalytische reactiesnelheid geen belangrijke beperkende factor is voor de omzettingssnelheid in de scheidingsmethode.Het absorptiemiddel verwijderde de ammoniak efficiënt uit het systeem, maar de capaciteit van de kolom nam na elke cyclus af. Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar het verlengen van de levensduur van de absorptiekolom. De absorptiekinetiek bleek geen significante beperkende factor te zijn voor de ammoniakproductie.Er werd vastgesteld dat de recirculatiesnelheid correleerde met de reactiesnelheid, wat aangeeft dat dit de primaire bepalende stap voor het proces is. Dit proces kan ammoniak produceren uit lucht, water en wind. De lucht en het water dienen als bronnen van stikstof en waterstof via respectievelijk pressure-swing adsorptie en elektrolyse.De energie voor het proces is afkomstig van de wind. Het Haber-Boschproces is een een eeuw oude reactie die een groot deel van de wereldbevolking voedt. Pogingen om dit proces te verbeteren brengen een hoog risico met zich mee, maar bieden potentieel een hoge beloning.Ons oorspronkelijke idee voor dit werk was om familieboerderijen op het platteland van Minnesota zelfvoorzienend te maken wat betreft hun stikstofmeststoffen. De belofte van een brandstof voor energietekortsteden, door op windenergie gebaseerde energie op te slaan als vloeibare ammoniak, was een onverwachte winst. De sleutel tot het absorptiegebaseerde proces is het ontwikkelen van een stabiel, herbruikbaar absorptiemiddel dat ammoniak efficiënt afvangt terwijl het wordt geproduceerd.Door de conventionele condensor te vervangen door een absorptiebed, komen we dichter bij een goedkoper en veiliger ammoniakproductieproces dat geschikt is voor kleinschalige productie.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Hierin worden de procedures voor Plasma-ondersteunde chemische damp depositie van perfluoralkanen op microporeuze materialen zoals metaal-organische frameworks om hun stabiliteit en hydrophobicity vergroten, worden beschreven. Verder wordt doorbraak testen van milligram hoeveelheden monsters beschreven.

Voorbereiding van hydrofobe Metal-Organic Frameworks via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition van perfluoralkanen voor de verwijdering van ammoniak

Ammoniak is een belangrijk fysiologisch metaboliet dat relevant is voor verschillende ziekte- en welzijnstoestanden. Het is ook een moeilijk molecuul om in adem te meten, wat bepaalde voorzorgsmaatregelen vereist om nauwkeurige resultaten te verkrijgen. Niet alle factoren die ammoniak beïnvloeden, zijn bekend, maar vooruitgang kan moeilijk zijn zonder rekening te houden met deze factoren.

Snel en nauwkeurig de uitgeademde lucht Ammoniak Meting

Hier presenteren we een protocol voor de synthese van33NH CH I en CH3NH3Br precursoren en de daaropvolgende vorming van pinhole-vrije, continue CH3NH3PbI3-xBrx dunne lagen voor de toepassing in hoge efficiëntie zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten.

Lagedruk Vapor-bijgewoonde oplossingsproces voor afstembare Band Gap Pinhole-vrije Methylammonium lood halogenide perovskiet Films

Ammoniakvezelexpansie (AFEX) is een thermochemische voorbehandelingstechnologie die lignocellulosische biomassa (bijvoorbeeld maïsstover, rijststro en suikerrietbagasse) kan omzetten in een zeer verteerbare grondstof voor zowel biobrandstoffen als toepassingen voor diervoeding. Hier beschrijven we een laboratoriummethode voor het uitvoeren van AFEX-voorbehandeling op lignocellulosische biomassa.

Ammoniak Fiber Expansion (AFEX) Voorbehandeling van Lignocellulosic Biomassa

Hier presenteren we een protocol voor het uitvoeren van reacties in eenvoudige reactie vaartuigen onder lage tot matige druk van CO2. De reacties kunnen worden uitgevoerd in een verscheidenheid van vaartuigen gewoon door het toedienen van de kooldioxide in de vorm van droogijs, zonder de noodzaak voor dure of ingewikkelde apparatuur of set-ups.

Bereiken van matige druk in verzegelde vaartuigen met behulp van droogijs als een bron van Solid CO2

Een reeks methoden om de potentiële DNRA-snelheid te bepalen op basis van 14NH4+/15NH4+ analyses wordt in detail verstrekt. NH4+ wordt omgezet in N2O via verschillende stappen en geanalyseerd met behulp van quadrupole gaschromatografie-massaspectrometrie.

Meting van de potentiële tarieven van dissimilatorische nitraatreductie naar Ammonium op basis van 14NH4+/15NH4+ Analyses via sequentiële conversie naar N2O

We geven een gedetailleerde beschrijving van de stappen die nodig zijn om een hogedrukcel samen te stellen, hogedruk NMR-experimenten op te zetten en op te nemen en ten slotte zowel piekintensiteit als chemische verschuivingsveranderingen onder druk te analyseren. Deze experimenten kunnen waardevolle inzichten opleveren in de vouwroutes en structurele stabiliteit van eiwitten.

Hogedruk NMR-experimenten voor het detecteren van eiwitarme conformatietoestanden

Hier presenteren we een protocol om co-nanodeeltjes te synthetiseren die worden ondersteund op koolstofnanobuisjes met co- en n-dopants voor waterstofproducties.

Synthese van metalen nanodeeltjes ondersteund op koolstofnanobuis met gedopeerde co- en N-atomen en de katalytische toepassingen ervan bij waterstofproductie

We gesynthetiseerd stervormige gouden nanostars met behulp van een zilveren zaad gemedieerde groei methode. De diameter van de nanostars varieert van 200 tot 300 nm en het aantal tips variëren van 7 tot 10. De nanodeeltjes hebben een brede oppervlakte plasmon resonance-modus in het midden van het nabij-infrarood.

Goud Nanostar Synthese met een Silver Zaad gemedieerde groei Methode

Dit protocol beschrijft de stimulatie van de gekweekte fibroblasten met een lage-intensiteit gepulseerd ultrageluid, die focal adhesion vorming en Rac1 activering door het nabootsen van betrokkenheid van de transmembraan-receptor matrix, syndecan-4-drives. Deze benadering maakt het onderzoek van een succesvolle klinische techniek op cellulair niveau, waardoor het bieden van mogelijkheden voor verfijning van de therapie.

Inductie van Adhesie-afhankelijke signalen met behulp van lage-intensiteit ultrageluid

Leer de synthese van ammoniak bij lage druk met een vaste absorberend materiaal in plaats van een condensor. Deze methode verhoogt de reactie-efficiëntie en vermindert CO2-emissies aanzienlijk.

Synthese van ammoniak bij lage druk

Meer video's verkennen