Name: Synteza amoniaku pod niskim ciśnieniem (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Poznaj metodę syntezy amoniaku pod niskim ciśnieniem wykorzystującą stały absorbent selektywny dla amoniaku. Proces zmniejsza emisję dwutlenku węgla i zwiększa wydajność reakcji chemicznej.

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

Ta praca była przede wszystkim wspierana przez ARPA-E, część Departamentu Energii USA, przez Fundusz Powierniczy Środowiska i Zasobów Naturalnych Minnesoty, zgodnie z zaleceniami Komisji Ustawodawczo-Obywatelskiej ds. Zasobów Minnesoty, oraz przez MNDRIVE, inicjatywę Uniwersytetu Minnesoty. Dodatkowe wsparcie pochodziło od Fundacji Dreyfusa.

1. Uruchomienie zakładu pilotażowego
<ol>
	<li>System produkcji azotu
	<ol>
		<li>Włącz osuszacz powietrza, sprężarkę powietrza i generator azotu. Sprawdź, czy w zbiorniku sprężarki powietrza znajduje się co najmniej 800 kPa powietrza. Powoduje to wysyłanie azotu do zbiornika buforowego, dopóki w azocie nie będzie więcej niż 0,004% (40 ppm) tlenu.</li>
		<li>Włącz wzmacniacz azotu gazowego. Doprężacz gazu zaczyna napełniać zbiorniki doprowadzające azot pod ciśnieniem dochodzącym do 17 MPa.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>System produkcji wodoru
	<ol>
		<li>Włącz agregat chłodniczy, jednostkę dejonizacji wody i elektrolizer. Elektrolizer nie będzie działał bez systemu odpowietrzania, ponieważ istnieje czujnik przepływu, który mierzy odpowietrzanie podciśnienia, aby umożliwić uruchomienie elektrolizera. Wodór produkowany jest z szybkością 0,54 kg/h, a ciśnienie tłoczenia wyniesie około 1,5 MPa.</li>
		<li>Włącz wzmacniacz wodoru gazowego. Sprawdź, czy agregat chłodniczy jest sprawny i przepływa przez niego płyn chłodzący. Zbiorniki zasilające wodór zostaną napełnione do 17 MPa.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozruch skidów amoniakalnych
	<ol>
		<li>Użyj komputera w sterowni, aby wykonać następujące czynności:
		<ol>
			<li>Sprawdź wyjścia ewakuacyjne dla budynku.</li>
			<li>Upewnij się, że stężenie tlenu, wodoru i amoniaku w budynku jest mniejsze niż odpowiednio 20%, 19 ppm i 35 ppm.</li>
			<li>Sprawdzić, czy zbiorniki doprowadzające wodór i azot są naładowane do 17 MPa.</li>
			<li>Upewnij się, że próbnik amoniaku i zawory zbiornika masy są pominięte.</li>
			<li>Zwiększ ciśnienie w płozie azotem, ustawiając regulator wlotu azotu na 2.5 MPa. Ustaw regulator ciśnienia azotu na 300 psi, a następnie otwórz zawór obejściowy azotu, aby napełnić płozę azotem do 300 psi. Następnie zamknij zawór azotu po osiągnięciu tego ciśnienia. Ustaw wodór normalnie na 1,200 psi i otwórz zawór wodoru, aby umożliwić napełnienie płozy do 1,200 psi. Następnie zamknij zawór obejściowy wodoru.</li>
			<li>Otwórz zawór wlotowy wodoru i ustaw regulator wlotu wodoru na płozie na 10 MPa.</li>
			<li>Ustaw regulator ciśnienia NH3 na 1 MPa.</li>
			<li>Użyj oprogramowania sterującego GUI, aby zamknąć/otworzyć wiele zaworów obejściowych na płozie, sprężarce i zaworach powietrza.</li>
			<li>Użyj oprogramowania sterującego GUI, aby obrócić kilka regulatorów PID, aby upewnić się, że płoza jest podawana w stosunku 1:3 N2:H2.</li>
			<li>Z dyspozytorni i za pomocą głównego oprogramowania sterującego GUI uruchom płozę. Sprężarka rozpoczyna recyrkulację gazu w płozie i wtryskuje świeżą paszę.</li>
			<li>W oprogramowaniu sterującym GUI ustaw temperaturę reakcji i skraplania. Temperatury reaktora i skraplacza są ustawione odpowiednio na 440 °C i -25 °C. 
			UWAGA: Reaktor potrzebuje do 4 dni, aby osiągnąć zadaną temperaturę i osiągnąć stan ustalony.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Uruchomienie aparatury doświadczalnej
<ol>
	<li>Przygotowanie i redukcja reaktora
	<ol>
		<li>Odważyć 3 g wstępnie zredukowanego katalizatora. Zmniejsz wielkość cząstek katalizatora do mniej niż 1 mm za pomocą moździerza i tłuczka.</li>
		<li>Załaduj katalizator do rurki o średnicy 0,25 cala i umieść wełnę kwarcową po obu stronach.</li>
		<li>Za pomocą regulatora PID należy zwiększyć temperaturę reaktora do temperatury reakcji (400 °C) z odpowiednimi rampami, jednocześnie przepływając wodór przez reaktor z natężeniem przepływu 500 standardowych centymetrów sześciennych na minutę (SCCM). Skorzystaj z ramp (podsumowanych w tabeli 1). 
		UWAGA: Wzrost temperatury powinien być bardzo płynny, aby uzyskać odpowiednią aktywność katalizatora.</li>
		<li>Kontynuuj proces redukcji przez 24 godziny. Upewnij się, że żadne powietrze ani zanieczyszczenia nie mają kontaktu z katalizatorem. Zawsze przechowuj reaktor pod kocem azotowym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie absorbera
	<ol>
		<li>Załadować 80 g absorbentu CaCl2 do kolumny absorbera (ID: 2,3 cm, długość: 30 cm). W zależności od różnych rozmiarów absorbentów, po obu stronach absorbera zostaną zastosowane różne wsporniki uszczelnienia absorbera, w celu unieruchomienia wypełnionego łoża.</li>
		<li>Aby usunąć wilgoć, należy zwiększyć temperaturę absorbera do 350 °C, jednocześnie przepływając azot o natężeniu przepływu 200 SCCM przez 24 godziny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozpoczęcie testów rozdzielania reakcji
	<ol>
		<li>Zwiększyć temperaturę reaktora i absorbera odpowiednio do 400 °C i 180 °C. 
		UWAGA: Użyj odpowiednich ramp temperatury, aby zwiększyć temperaturę reaktora. Użyj transformatorów, aby regulacja temperatury była płynniejsza. Utrzymuj system w trybie bezczynności pod osłoną azotową. Przed rozpoczęciem jakiegokolwiek testu należy kilkakrotnie naładować układ azotem do 5 MPa, a następnie zwolnić ciśnienie.</li>
		<li>Użyj graficznego interfejsu użytkownika do sterowania regulatorami przepływu masowego wodoru i azotu.</li>
		<li>Naładować aparaturę do docelowych ciśnień azotem i wodorem w stosunku 1:3.</li>
		<li>Po osiągnięciu ciśnienia docelowego zamknij zawory wlotowe, otwórz zawór wylotowy reaktora i włącz pompę recyrkulacyjną. Ze względu na reakcję egzotermiczną i absorpcję, temperatury reaktora i absorbera mogą wymagać dokładniejszej kontroli na początku procesu.</li>
		<li>Kontynuować badanie przez 5 godzin, aż do momentu, w którym absorber zacznie się przebijać.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Desorpcja amoniaku
	<ol>
		<li>Otwórz zawory wlotowe i wylotowe.</li>
		<li>Zmniejsz ciśnienie układu do ciśnienia atmosferycznego i zwiększ temperaturę absorbera, przepływając azot o natężeniu przepływu 100 SCCM przez 5 godzin w celu desorpcji amoniaku z materiału absorpcyjnego.</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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Kluczowe etapy przygotowania aparatury doświadczalnej do reakcji i absorpcji:
Należy upewnić się, że w układzie azotu i wodoru nie ma zanieczyszczeń. Materiały absorbujące należy wymieniać po każdym cyklu. W większości przypadków, w wysokiej temperaturze i w obecności amoniaku, materiały absorbujące spiekały się, tworząc dużą, twardą bryłę. Zależnie od właściwości termodynamicznych każdego halorku metalu i kompleksu aminowego, należy zastosować odpowiednie temperatury absorpcji i desorpcji. Przed...

Amoniak jest kluczowym przemysłowym substancją chemiczną. Jest produkowany w procesie Habera-Boscha, który jest znany jako jedna z najważniejszych innowacji XX wieku">1,2. Synteza amoniaku odbywa się w obecności niejednorodnego katalizatora w podwyższonych temperaturach (> 375 °C) i ciśnieniach (>100 bar)3. Tak wysokie wymagania dotyczące temperatury i ciśnienia sprawiają, że synteza amoniaku jest bardzo energochłonna i kapitałochłonna. Około 150 milionów ton amoniaku jest produkowanych każdego roku4, co odpowiada za 1-3% światowego zużycia energii, 5% zużycia gazu ziemnego i do 3% emisji gazów zmieniających klimat5,6,7.
Amoniak ma dwa główne potencjalne zastosowania. Po pierwsze, amoniak jest syntetycznym nawozem azotowym1. Bez tego nawozu połowa obecnej populacji nie miałaby dostępu do wystarczającej ilości żywności. Po drugie, amoniak może służyć jako nośnik energii, zarówno jako neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla paliwo ciekłe, jak i jako pośredni nośnik wodoru8,9,10,11. Zazwyczaj zasoby odnawialne (np. wiatr) są dostępne na słabo zaludnionych obszarach wiejskich, gdzie można je wychwytywać; Ten rodzaj izolowanej energii wiatrowej i słonecznej nazywany jest "osieroconym". W tym scenariuszu energia elektryczna i cieplna z odnawialnego źródła energii jest przekształcana w wysokoenergetyczny, neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla ciekły amoniak. Wytworzony ciekły amoniak może być następnie wysyłany do ośrodków miejskich, gdzie może być bezpośrednio wykorzystany w ogniwach paliwowych na bazie amoniaku12 i silnikach spalinowych13, lub może być rozłożony na wodór, a następnie wykorzystany w wodorowych ogniwach paliwowych lub stacjach wodorowych. W rezultacie, możemy przenieść wiatr z amerykańskich prerii na zatłoczone obszary miejskie USA.
Głównie ze względu na stosowanie nawozów, produkcja amoniaku jest głównym przemysłem. W temperaturze pokojowej reakcja syntezy amoniaku jest egzotermiczna, a zatem – przynajmniej w zasadzie – spontaniczna14, jednak osiągnięcie reakcji w warunkach otoczenia jest niezwykle trudne ze względu na silne wiązanie azot-azot15. Aby temu zaradzić, Fritz Haber zasłynął z tego, że używał wysokich temperatur, aby osiągnąć szybką kinetykę, ale te wysokie temperatury oznaczały, że odwrotna reakcja hamowała produkcję. Aby zmniejszyć zahamowania tej odwrotnej reakcji, Haber użył wysokiego ciśnienia, aby poprawić konwersję. Przeprowadził on reakcję na dużą skalę w lufie pistoletu, która do dziś zdobi fabrykę BASF w Ludwigshafen.
Konieczność użycia zarówno wysokiej temperatury, jak i ciśnienia, podczas gdy reakcja mogłaby potencjalnie przebiegać w znacznie skromniejszych warunkach, frustrowała chemików od ponad wieku2. Nawet po komercjalizacji procesu, Karl Bosch i ogromna kohorta z BASF przetrząsnęli cały układ okresowy pierwiastków w poszukiwaniu lepszych katalizatorów. Chociaż Bosch odniósł niewielki sukces, poszukiwania nadal trwają. Jeszcze w zeszłym roku zainicjowano nowy program badawczy mający na celu poszukiwanie nowego katalizatora16,17. Szczegółowa chemia syntezy amoniaku jest teraz dobrze poznana14, a jeśli poszukiwania nowego katalizatora zakończą się sukcesem, z pewnością będzie to warte wysiłku. Uważamy jednak, że niepowodzenia z przeszłości zmniejszają szansę na sukces w przyszłości.
W poniższym tekście opisany jest proces syntezy amoniaku na małą skalę, a także wyjaśniona jest motywacja do zbadania alternatywnego procesu.
Proces na małą skalę:
Amoniak generowany przez wiatr 
Udoskonalamy proces Habera-Boscha do syntezy amoniaku, poszukując znacznie mniejszego, prostszego procesu, który może być obsługiwany lokalnie, ale wytwarza znikome ilości dwutlenku węgla. Wykonalność lokalnej produkcji amoniaku z wiatru została już zademonstrowana w zakładzie pilotażowym zlokalizowanym w Morris, MN, i pokazana na rysunku 118. Morris siedzi na Buffalo Ridge, formacji sześćdziesięciu mil falujących wzgórz w południowo-zachodnim rogu Minnesoty. Grzbiet ma niezwykle stały, silny wiatr, przetaczający się przez prerię. W rezultacie jest to mekka dla energii elektrycznej wytwarzanej przez wiatr.
Dzięki tej elektryczności już produkujemy amoniak z wiatru, korzystając z tej instalacji, która jest czterdzieści tysięcy razy mniejsza niż istniejące komercyjne operacje dla paliw kopalnych. Część energii elektrycznej wytwarzanej przez wiatr jest wykorzystywana do wytwarzania azotu z powietrza za pomocą adsorpcji zmiennociśnieniowej, uznanej metody separacji powietrza stosowanej na przykład u pacjentów z rozedmą płuc, którzy potrzebują powietrza wzbogaconego w tlen. Jednak więcej energii elektrycznej jest wykorzystywane do produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody. Gazy te są łączone za pomocą konwencjonalnego katalizatora w procesie pokazanym schematycznie na rysunku 2. Po reakcji gazy są rozdzielane przez schłodzenie w celu skroplenia ciekłego amoniaku. Nieprzereagowane gazy, a także nieskondensowany amoniak, są poddawane recyklingowi.
Szczegóły zakładu pilotażowego 
W naszej pilotażowej elektrowni, University of Minnesota Renewable Hydrogen and Ammonia Pilot Plant, energia elektryczna jest dostarczana z turbiny wiatrowej o mocy 1,65 MW. Elektrownia pilotażowa wykorzystuje około 10% wytwarzanej energii, a pozostała część energii jest wykorzystywana w kampusie University of Minnesota, Morris.
System produkcji wodoru wykorzystuje elektrolizer, sprężarkę wspomagającą i agregat chłodniczy. System ten wytwarza 0,54 kg wodoru na godzinę, który jest magazynowany pod ciśnieniem 2400 psi przy użyciu 24 kWh energii elektrycznej. Woda ze studni na miejscu jest oczyszczana za pomocą systemu odwróconej osmozy i dejonizacji. Woda jest następnie dostarczana do elektrolizera z prędkością do 15 l/h. Azot jest wytwarzany za pomocą generatora azotu, sprężarki powietrza wstępnego, osuszacza powietrza i sprężarki wspomagającej. Gazowy azot jest przechowywany pod ciśnieniem 2 400 psi przy użyciu około 6 kWh energii elektrycznej.
Synteza amoniaku wykorzystuje niestandardowy płozę. Zawiera sprężarkę, reaktor, pętlę chłodniczą i nagrzewnicę elektryczną o mocy 20 kW. Płoza zużywa około 28 kWh energii elektrycznej do wytworzenia 2,7 kg amoniaku na godzinę, który jest następnie magazynowany pod ciśnieniem 150 psi. Proces produkcji amoniaku jest kontrolowany za pomocą zintegrowanych systemów PLC i HMI. Wytworzony wodór i azot są magazynowane na miejscu w 18 zbiornikach magazynowych azotu i 54 zbiornikach magazynujących wodór. Amoniak jest również przechowywany na miejscu w zbiorniku o pojemności 3 100 galonów.
Generacja wiatru jest droga 
Energia elektryczna wykorzystywana w tym procesie jest wytwarzana z wiatru, a więc paliwo do produkcji amoniaku jest darmowe, bez użycia paliw kopalnych. Koszty kapitałowe tej instalacji pilotażowej są jednak zdominowane przez inwestycje w produkcję wodoru i syntezę amoniaku. Dotychczasowe operacje sugerują, że koszt produkcji amoniaku na małą skalę jest około dwa razy wyższy niż w przypadku konwencjonalnego amoniaku opartego na paliwach kopalnych. Chociaż nadal optymalizujemy nasz proces, uważamy, że amoniak wytwarzany przez wiatr na małą skalę nie będzie konkurencyjny przy obecnych cenach gazu ziemnego. Koszty kapitałowe w przeliczeniu na wyprodukowaną masę amoniaku można zmniejszyć za pomocą większego procesu konwencjonalnego lub procesu alternatywnego, takiego jak ten opisany w dalszej części tego artykułu.
Proces absorpcji:
Absorpcja zwiększa produkcję 
Katalizator używany do syntezy amoniaku pozostał prawie niezmieniony w ciągu ostatniego stulecia19. W związku z tym w tym badaniu zastosowaliśmy inne podejście. Stosujemy prąd katalizatora i temperaturę roboczą, ale amoniak absorbujemy pod umiarkowanym ciśnieniem, gdy tylko się uformuje. Wszelkie nieprzereagowane wodór i azot poddajemy recyklingowi. Proces jest schematycznie podobny do tego na rysunku 3, podobny do procesu konwencjonalnego, ale z absorberem ze złożem wypełnionym zastępującym skraplacz.
Kinetyka początkowej reakcji nie ulega zmianie 
Eksperymenty z tym systemem przy niskiej konwersji pokazują początkową szybkość reakcji, która jest zgodna z wieloma wcześniejszymi badaniami nad tym systemem3,14,15,20,21,22,23, jak pokazano na rysunku 4. Lewy panel pokazuje początkowe stawki, które różnią się znacznie w zależności od temperatury. Chociaż stawki te różnią się również w zależności od ciśnienia, różnice są mniejsze, jak pokazano w prawym panelu. W naszym nowym procesie używamy tego samego katalizatora i podobnych warunków pracy, ale szukamy sposobów na poprawę produkcji amoniaku poprzez zastosowanie absorpcji przy niższym ciśnieniu. W ten sposób mamy nadzieję na obniżenie kosztów kapitałowych syntezy amoniaku.
Absorpcja zwiększa konwersję 
W naszej pracy zastąpiliśmy skraplacz w małym procesie złożem wypełnionym, które jest cylindrycznym naczyniem wypełnionym drobnymi cząstkami absorbentu. Zwróciliśmy uwagę na sorbenty wykonane głównie z chlorku magnezu i chlorku wapnia11,24. Takie absorbenty amin mają dwa efekty. Po pierwsze, redukują stężenie amoniaku obecnego w gazach z recyklingu niemal do zera. Po drugie, skutecznie skracają czas separacji niemal do zera. Ta strategia jest produktywna25,26,27. Na przykład na rysunku 5 pokazujemy, że szybkość wytwarzania amoniaku, która jest proporcjonalna do spadku całkowitego ciśnienia w układzie, jest znacznie większa przy absorpcji niż bez niej. W szczególności reakcja przy ciśnieniu 90 barów, oznaczona czerwonymi kółkami, jest mniej kompletna niż reakcja z absorbentem, pokazana przez niebieskie trójkąty27. Dzieje się tak nawet wtedy, gdy reakcja bez absorpcji zachodzi przy ciśnieniu prawie dwukrotnie większym niż reakcja z absorpcją. We wcześniejszych eksperymentach (nie pokazanych tutaj) wykazaliśmy również, że ostateczna konwersja procesu wynosi około 20% bez absorbentu, ale ponad 95% z absorbentem.
Szybkość reakcji zmienia się znacznie mniej w zależności od temperatury z absorpcją niż bez niej. Jest to pokazane na rysunku 6, który ponownie przedstawia syntezę amoniaku jako całkowite ciśnienie w funkcji czasu27. Zmiana temperatury reakcji o 60 °C ma niewielki wpływ na szybkość reakcji. Kontrastuje to z początkowymi szybkościami na rysunku 4, który pokazuje zmianę szybkości reakcji o prawie rząd wielkości. Wyniki na rys. 4 i rys. 6 są różne, ponieważ efekt reakcji odwrotnej został zmniejszony, więc kinetyka chemiczna nie jest już jedynym krokiem odpowiedzialnym za ogólną szybkość.

<table><tbody><tr><td>Aparatura eksperymentalna</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chlorek magnezu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>7786-30-3</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Chlorek wapnia</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10043-52-4</td><td>St. Louis, MO</td></tr><tr><td>Ultra czysty wodór</td><td>Matheson</td><td>SG PHYF30050</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Ultra czysty azot</td><td>Matheson</td><td>SG G1881112</td><td>New Brighton, MN</td></tr><tr><td>Katalizator na bazie żelaza</td><td>Clariant/Sud Chemie-Charlotte</td><td></td><td>, NC</td></tr><tr><td>Pompa o zmiennym tłoku</td><td>PumpWorks Inc.</td><td>PW2070N</td><td>Minneapolis, MN</td></tr><tr><td>Grzejnik ceramiczny Omega</td><td>Omega</td><td>CRFC-36/115-A</td><td>Stamford,</td></tr> kontroler <tr><td>CT PID</td><td>Omega</td><td>CN96211TR</td><td>Stamford,</td></tr><tr><td>kondycjoner sygnału</td> CT <td>Omega</td><td>DRG-SC-TC</td><td>Stamford,</td></tr> przetwornik <tr><td>ciśnienia</td> CT <td>WIKA</td><td>50426877</td><td>Lawrenceville, Georgia</td></tr><tr><td>Regulator przepływu masowego</td><td>Brooks Instrumenty</td><td>SLA5850</td><td>Hatefield, PA<</td></tr><tr><td>strong>Nazwa</td><td>Company</td><td>Numer katalogowy</td><td>Komentarze</td></tr><tr><td>Pilot Plant</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Electrolyzer</td><td>Proton OnSite</td><td>H6 Series</td><td>Wallingford, CT</td></tr><tr><td>Gas Booster</td><td>Maszyna PDC</td><td>3 2500&nbsp;</td><td>Warminster, Pensylwania</td></tr><tr><td>Turbina wiatrowa</td><td>Vestas</td><td>V82</td><td>Portland, OR</td></tr><tr><td>Chiller</td><td>Thermal Care</td><td>SQ Series</td><td>Niles, IL</td></tr><tr><td>Oczyszczacz wody</td><td>Elga Pure Lab</td><td>S-15</td><td></td></tr><tr><td>Generator azotu</td><td>Innowacyjny system gazowy</td><td>NS-10</td><td>Huoston,</td></tr><tr><td>TX Sprężarka powietrza</td><td>Hydrovane</td><td>HV05</td><td></td></tr></tbody></table>

synteza amoniaku pod niskim ciśnieniem

Ammonia Synthesis at Low Pressure

Amoniak może być syntetyzowany pod niskim ciśnieniem za pomocą selektywnego absorbentu amoniaku. Proces może być napędzany energią wiatrową, dostępną lokalnie na obszarach wymagających amoniaku do nawozów syntetycznych. Taka energia wiatrowa jest często nazywana "osieroconą", ponieważ jest dostępna tylko z dala od skupisk ludności, gdzie może być bezpośrednio wykorzystana.
W proponowanym procesie niskiego ciśnienia, azot jest wytwarzany z powietrza za pomocą absorpcji wahań ciśnienia, a wodór jest wytwarzany przez elektrolizę wody. Podczas gdy gazy te mogą reagować w temperaturze około 400 °C w obecności promowanego konwencjonalnego katalizatora, konwersja jest często ograniczona przez reakcję odwrotną, co sprawia, że reakcja ta jest możliwa tylko przy wysokich ciśnieniach. To ograniczenie można usunąć przez wchłanianie na podobnym do amin chlorku wapnia lub magnezu. Takie halogenki metali alkalicznych mogą skutecznie usuwać amoniak, tłumiąc w ten sposób ograniczenia równowagi reakcji. W proponowanym procesie syntezy amoniaku ze wzmocnieniem absorpcyjnym szybkość reakcji może być kontrolowana nie przez kinetykę chemiczną ani szybkość wchłaniania, ale przez szybkość recyklingu nieprzereagowanych gazów. Wyniki wypadają korzystnie w porównaniu z amoniakiem wytwarzanym w konwencjonalnym procesie Haber-Bosch na małą skalę.

Instalacja pilotażowa w Morris w stanie MN wykazała możliwość wykorzystania energii wiatru do lokalnej produkcji amoniaku18, co przedstawiono na Ryc. 1. Wiatr generuje energię elektryczną, która jest wykorzystywana odpowiednio do wytwarzania azotu i wodoru poprzez adsorpcję w przelocie ciśnieniowym powietrza oraz elektrolizę wody. Reaktor wykorzystuje konwencjonalny katalizator do syntezy gazowego azotu i wodoru w celu otrzymania amoni...

Amoniak może być syntetyzowany pod niskim ciśnieniem przy użyciu konwencjonalnego katalizatora i selektywnego absorbentu amoniaku.

Synteza amoniaku pod niskim ciśnieniem

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 ...

Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie amoniaku z powietrza, wody i energii generowanej przez wiatr w procesie niskociśnieniowym z pomijalną emisją dwutlenku węgla. Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów w produkcji amoniaku, takich jak wydajność reakcji, rozkład produktów oraz emisja dwutlenku węgla. W procesie zastosowano stały absorbent do wyłapywania amoniaku zamiast kondensatora.Ciągłe usuwanie amoniaku z układu zmniejsza występowanie odwrotnej reakcji chemicznej. Główną zaletą tego procesu jest możliwość jego przeprowadzenia przy niższym ciśnieniu, co jest bezpieczniejsze i mniej kosztowne. Cory Marquart i ja obsługujemy instalację do procesu konwencjonalnego, która jest 30 000 razy mniejsza od typowych zakładów.Stanowi to standard do porównania z procesem absorpcyjnym. Mike Reese i Cory Marquart obsługują konwencjonalną instalację w małej skali w Morris w Minnesocie. Proces oparty na absorpcji zaprezentuje Mahdi Malmali, stażysta postdoktorski związany z naszym laboratorium.Przed rozpoczęciem procesu uruchom instalację do wytwarzania amoniaku i zwiększ temperaturę reaktora katalitycznego do 440 °C. Ustaw temperaturę kondensatora na -18 °C. Następnie włącz osuszacz powietrza, kompresor powietrza oraz generator azotu.Włącz wzmacniacz gazu azotowego, aby napełnić zbiorniki z azotem. Włącz chiller, urządzenie do dejonizacji wody, elektrolizer oraz wzmacniacz gazu wodorowego. Sprawdź, czy chiller działa i czy ciecz chłodząca krąży w układzie.Następnie ustaw regulator wlotu azotu na 300 PSI. Otwórz zawór azotu, aby rozpocząć ciśnieniowanie modułu procesowego. Zamknij zawór obejścia azotu, gdy moduł osiągnie ciśnienie 300 PSI.Następnie ustaw regulator wlotu wodoru na 1 200 PSI i otwórz zawór wodoru. Po osiągnięciu przez układ ciśnienia 1 200 PSI zamknij zawór wodoru. Uruchom układ, aby rozpocząć cyrkulację mieszaniny gazów azot i wodór w stosunku jeden do trzech przez system.Po zakończeniu procesu skondensowany amoniak należy przechowywać pod ciśnieniem 150 PSI. Aby przygotować reaktor, należy użyć moździerza i tłuczka do rozdrobnienia cząsteczek katalizatora do rozmiaru poniżej 1 mm. Rozdrobniony katalizator należy umieścić w rurce o średnicy 0,25 cala.Aby przygotować absorber, należy wsypać 80 g chlorku wapnia lub równoważną ilość innego absorbenta selektywnego względem amoniaku do kolumny o długości 30 cm i średnicy wewnętrznej 2,3 cm. Końce kolumny należy zatkać odpowiednią ilością materiału wspierającego wypełnienie, aby unieruchomić absorbent. Następnie należy zamontować absorber i reaktor w aparaturze eksperymentalnej.Nagrzewaj reaktor do 450 °C zgodnie z zalecaną procedurą temperatury aktywacji, przepływając wodór przez reaktor z prędkością 500 SCCM w celu zakończenia aktywacji katalizatora. W stanie spoczynku systemu utrzymuj aktywowany katalizator pod osłoną ultra-czystego azotu. Aby rozpocząć proces generowania amoniaku, zamknij zawór wylotowy i zwiększ temperaturę reaktora do 400 °C oraz absorbera do 180 °C.Przepłucz system ultrapurem azotem, wielokrotnie zwiększając i zmniejszając ciśnienie w układzie. Następnie napompuj system mieszaniną azotu i wodoru w stosunku od jednego do trzech. Wyłącz kontrolery przepływu masy azotu i wodoru.Zamknij zawór wlotowy reaktora. Otwórz zawór wylotowy reaktora i uruchom pompę recyrkulacyjną. Monitoruj temperatury w reaktorze i absorberze w momencie rozpoczęcia reakcji i dostosuj je w razie potrzeby, aby zrekompensować procesy egzotermiczne.Prowadzić proces przez pięć godzin lub do momentu rozpoczęcia przełomu w absorberze, co zostanie wskazane przez spadek zmiany ciśnienia w systemie w czasie. Otworzyć zawór wlotowy azotu oraz zawór wylotowy amoniaku i obniżyć ciśnienie w systemie do poziomu atmosferycznego. Przepłukiwać system azotem z przepływem 100 SCCM, jednocześnie ogrzewając absorber przez pięć godzin w celu uwolnienia amoniaku.Wysokie ciśnienia stosowane w metodzie konwencjonalnej są niezbędne, aby sprzyjać reakcji w kierunku prawym w wysokich temperaturach. W metodzie rozdziału niskociśnieniowego amoniak jest oddzielany bardziej całkowicie, zanim mogłaby zajść reakcja odwrotna. Odnotowano znaczny wzrost szybkości konwersji w porównaniu z metodą konwencjonalną.Wstępne szybkości reakcji w metodzie rozdzielania były zgodne z wartościami opublikowanymi oraz z wynikami oddzielnych doświadczeń z kinetyki chemicznej. W wstępnych szybkościach reakcji w metodzie absorpcji reakcyjnej zaobserwowano zmienność temperatury. Całkowita szybkość reakcji wykazała znacznie mniejszą zależność od temperatury, co wskazuje, że szybkość reakcji katalitycznej nie jest głównym czynnikiem ograniczającym szybkość konwersji w metodzie rozdzielania.Sorbent skutecznie usunął amoniak z układu, jednak pojemność kolumny malała po każdym cyklu. Trwają badania nad przedłużeniem żywotności kolumny sorpcyjnej. Stwierdzono, że kinetyka absorpcji nie stanowi znaczącego czynnika ograniczającego produkcję amoniaku.Stwierdzono, że szybkość przepływu recyrkulacyjnego koreluje z szybkością reakcji, co wskazuje, że jest to główny etap kontrolujący proces. Proces ten pozwala na otrzymywanie amoniaku z powietrza, wody i wiatru. Powietrze i woda stanowią źródła azotu i wodoru, pozyskiwanych odpowiednio poprzez adsorpcję z przesunięciem ciśnienia oraz elektrolizę.Energia niezbędna do tego procesu pochodzi z wiatru. Proces Habera-Boscha to opracowana przed wiekiem reakcja, która pozwala wyżywić znaczną część światowej populacji. Próby jego udoskonalenia wiążą się z dużym ryzykiem, ale potencjalnie wysoką korzyścią.Naszym pierwotnym pomysłem w tej pracy było zwiększenie samowystarczalności gospodarstw rodzinnych w wiejskiej Minnesocy w zakresie nawozów azotowych. Perspektywa stworzenia paliwa dla miast borykających się z niedoborami energii poprzez magazynowanie energii z wiatru w postaci ciekłego amoniaku była nieoczekiwanym zyskiem. Kluczem do procesu opartego na absorpcji jest opracowanie stabilnego, wielokrotnego sorbentu, który wydajnie wychwytuje amoniak w miarę jego powstawania.Zastępując konwencjonalny skraplacz złożem absorbentu, przybliżamy się do tańszego i bezpieczniejszego procesu wytwarzania amoniaku, odpowiedniego dla produkcji na małą skalę.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Tutaj opisane są procedury chemicznego osadzania perfluoroalkanów metodą plazmy na mikroporowatych materiałach, takich jak struktury metaloorganiczne, w celu zwiększenia ich stabilności i hydrofobowości. Ponadto szczegółowo opisano przełomowe badania miligramowych ilości próbek.

Otrzymywanie hydrofobowych struktur metaloorganicznych poprzez chemiczne osadzanie perfluoroalkanów z fazy gazowej wspomagane plazmą w celu usunięcia amoniaku

Amoniak jest ważnym metabolitem fizjologicznym istotnym dla różnych stanów chorobowych i zdrowotnych. Jest to również cząsteczka trudna do zmierzenia w wydychanym powietrzu, co wymaga podjęcia szczególnych środków ostrożności w celu uzyskania dokładnych wyników. Nie wszystkie czynniki wpływające na amoniak są znane, ale postęp może być trudny bez uwzględnienia tych czynników.

Szybki i dokładny pomiar amoniaku w wydychanym powietrzu

Tutaj prezentujemy protokół syntezy prekursorów CH3NH 3 I i CH3NH 3Br oraz późniejszego tworzenia bezotworkowych, ciągłych cienkich warstw CH3NH3PbI3-xBrx do zastosowania w wysokowydajnych ogniwach słonecznych i innych urządzeniach optoelektronicznych.

Proces niskociśnieniowego roztworu wspomaganego parą wodną do przestrajalnych warstw perowskitowych z halogenku metyloamonowo-ołowiowego bez otworków

Rozszerzanie włókien amoniakalnych (AFEX) to technologia termochemicznej obróbki wstępnej, która może przekształcić biomasę lignocelulozową (np. słomę kukurydzianą, słomę ryżową i wytłoki z trzciny cukrowej) w wysoce strawny surowiec zarówno do zastosowań w biopaliwach, jak i paszach dla zwierząt. W tym miejscu opisano laboratoryjną metodę przeprowadzania obróbki wstępnej AFEX na biomasie lignocelulozowej.

Ekspandowanie włókien amoniaku (AFEX) Wstępna obróbka biomasy lignocelulozowej

Tutaj prezentujemy protokół przeprowadzania reakcji w prostych naczyniach reakcyjnych pod niskim lub umiarkowanym ciśnieniem CO2 . Reakcje można przeprowadzać w różnych naczyniach, po prostu podając dwutlenek węgla w postaci suchego lodu, bez konieczności stosowania kosztownego lub skomplikowanego sprzętu lub konfiguracji.

Osiąganie umiarkowanych ciśnień w szczelnych naczyniach przy użyciu suchego lodu jako stałego źródła CO2

Szczegółowo przedstawiono szereg metod do określania potencjalnego wskaźnika DNRA na podstawie 14analiz NH4+/15NH4+. NH4+ jest przekształcany wN2Ow kilku etapach i analizowany za pomocą kwadrupolowej chromatografii gazowej ze spektrometrią mas.

Pomiar potencjalnych szybkości dysymilacyjnej redukcji azotanów do amonu na podstawie 14analiz NH4+/15NH4+ poprzez sekwencyjną konwersję doN2O

Dostarczamy szczegółowy opis kroków wymaganych do złożenia ogniwa wysokociśnieniowego, ustawienia i nagrania eksperymentów NMR pod wysokim ciśnieniem, a na koniec analizujemy zarówno intensywność szczytu, jak i zmiany chemiczne pod ciśnieniem. Eksperymenty te mogą dostarczyć cennych informacji na temat szlaków fałdowania i stabilności strukturalnej białek.

Eksperymenty NMR pod wysokim ciśnieniem do wykrywania nisko położonych stanów konformacyjnych białek

Tutaj prezentujemy protokół syntezy nanocząstek Co na nanorurkach węglowych z domieszkami Co- i N- do produkcji wodoru.

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

Zsyntetyzowaliśmy złote nanogwiazdy o kształcie gwiazdy, wykorzystując metodę wzrostu wspomaganego srebrnymi zarodkami. Średnica nanogwiazd wynosi od 200 do 300 nm, a liczba ramion waha się od 7 do 10. Nanocząstki wykazują szeroki mod powierzchniowego rezonansu plazmonowego z maksimum w bliskiej podczerwieni.

Synteza nanogwiazd złota metodą wzrostu sterowanego srebrnymi nasionami

Niniejszy protokół opisuje stymulację hodowanych fibroblastów za pomocą impulsowego ultradźwięku o niskiej intensywności, co indukuje tworzenie adhezji ogniskowych oraz aktywację Rac1 poprzez naśladowanie zaangażowania transmembranecznego receptora macierzy, syndekanu-4. Podejście to umożliwia badanie skutecznej techniki klinicznej na poziomie komórkowym, stwarzając tym samym możliwości udoskonalenia tej terapii.

Indukcja sygnałów zależnych od adhezji przy użyciu ultradźwięków o niskiej intensywności

Poznaj metodę syntezy amoniaku pod niskim ciśnieniem wykorzystującą stały absorbent selektywny dla amoniaku. Proces zmniejsza emisję dwutlenku węgla i zwiększa wydajność reakcji chemicznej.

Synteza amoniaku pod niskim ciśnieniem

Przeglądaj więcej filmów