Synthese van ammoniak bij lage druk

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.