Síntese de amônia a baixa pressão

O objetivo geral deste procedimento é produzir amônia a partir de ar, água e energia gerada pelo vento em um processo de baixa pressão com emissões desprezíveis de dióxido de carbono. Este método pode ajudar a abordar questões importantes na produção de amônia, como eficiência da reação, distribuição do produto e emissões de dióxido de carbono. O processo utiliza um absorvente sólido seletivo para amônia em vez de um condensador.

A remoção contínua de amônia do sistema diminui a ocorrência da reação química reversa. A principal vantagem desse processo é que ele pode ser realizado a uma pressão mais baixa, o que é mais seguro e menos custoso. Cory Marquart e eu operamos uma planta para o processo convencional que é 30.000 vezes menor do que as plantas típicas.

Isso fornece um padrão para comparação com o processo de absorção. Mike Reese e Cory Marquart estão operando a planta convencional em pequena escala em Morris, Minnesota. A demonstração do processo baseado em absorção será realizada por Mahdi Malmali, um pesquisador pós-doutorando vinculado ao nosso laboratório.

Antes de iniciar o processo, ligue a usina de geração de amônia e aqueça o reator catalítico até 440 graus Celsius. Ajuste a temperatura do condensador para menos 18 graus Celsius. Em seguida, ligue o secador de ar, o compressor de ar e o gerador de nitrogênio.

Ligue o booster de gás nitrogênio para encher os tanques de suprimento de nitrogênio. Ligue o refrigerador, a unidade de desionização de água, o eletrolisador e o booster de gás hidrogênio. Verifique se o refrigerador está operacional e se o líquido de refrigeração está circulando.

A seguir, ajuste o regulador de entrada de nitrogênio para 300 PSI. Abra a válvula de nitrogênio para iniciar a pressurização do skid do processo. Feche a válvula de derivação de nitrogênio quando o skid atingir 300 PSI.

Em seguida, ajuste o regulador de entrada de hidrogênio para 1.200 PSI e abra a válvula de hidrogênio. Quando o skid atingir 1.200 PSI, feche a válvula de hidrogênio. Inicie o skid para começar a cíclica da mistura gasosa de um para três de nitrogênio para hidrogênio através do sistema.

Após o término do processo, armazene a amônia condensada a 150 PSI. Para preparar o reator, utilize um almofariz e um pistilo para moer as partículas do catalisador até um tamanho inferior a um milímetro. Preencha o catalisador moído em tubos de 0,25 polegadas.

Para preparar o absorvedor, empacote 80 gramas de cloreto de cálcio ou uma quantidade equivalente de outro absorvente seletivo para amônia em uma coluna de 30 centímetros de comprimento e diâmetro interno de 2,3 centímetros. Tampe as extremidades da coluna com material de suporte adequado para imobilizar o absorvente. Instale o absorvedor e o reator no aparato experimental.

Aqueça o reator até 450 graus Celsius utilizando o procedimento recomendado de temperatura de ativação, enquanto flui hidrogênio através do reator a 500 SCCM para concluir a ativação do catalisador. Mantenha o catalisador ativado sob uma atmosfera de gás nitrogênio ultra-puro quando o sistema estiver ocioso. Para iniciar o processo de geração de amônia, feche a válvula de saída e aumente a temperatura do reator até 400 graus Celsius e do absorvedor até 180 graus Celsius.

Enxágue o sistema com gás nitrogênio ultra-puro pressurizando e despressurizando o sistema repetidamente. Em seguida, pressurize o sistema com uma mistura de um para três de gases de nitrogênio e hidrogênio. Pare os controladores de fluxo de massa de nitrogênio e hidrogênio.

Feche a válvula de entrada do reator. Abra a válvula de saída do reator e inicie a bomba de recirculação. Monitore as temperaturas do reator e do absorvedor conforme a reação se inicia e ajuste-as conforme necessário para compensar os processos exotérmicos.

Execute o processo por cinco horas ou até que o absorvedor comece a apresentar rompimento, indicado por uma diminuição na variação da pressão do sistema ao longo do tempo. Abra a válvula de entrada de nitrogênio e a válvula de saída de amônia e reduza o sistema à pressão atmosférica. Passe nitrogênio pelo sistema a 100 SCCM enquanto aquece o absorvedor por cinco horas para liberar a amônia.

As altas pressões utilizadas no método convencional são necessárias para favorecer a reação direta em altas temperaturas. No método de separação com baixa pressão, a amônia é separada de forma mais completa antes que possa sofrer a reação inversa. Foi observado um aumento significativo na taxa de conversão em relação ao método convencional.

As taxas iniciais de reação do método de separação foram consistentes com os valores publicados e com experimentos separados de cinética química. Foi observada variação de temperatura nas taxas iniciais de reação do método de absorção com reação. A taxa global de reação apresentou dependência muito menor em relação à temperatura, indicando que a taxa de reação catalítica não é um fator limitante importante para a taxa de conversão no método de separação.

O absorvente removeu eficientemente a amônia do sistema, mas a capacidade da coluna diminuiu após cada ciclo. Estudos para prolongar a vida útil da coluna de absorvente estão em andamento. Verificou-se que a cinética de absorção não é um fator significativamente limitante para a produção de amônia.

Verificou-se que a taxa de fluxo de recirculação correlaciona-se com a taxa de reação, indicando que esta é a etapa principal de controle do processo. Este processo pode produzir amônia a partir de ar, água e vento. O ar e a água são fontes de nitrogênio e hidrogênio por absorção com variação de pressão e eletrólise, respectivamente.

A energia para o processo provém do vento. O processo Haber-Bosch é uma reação com um século de existência que alimenta uma grande fração da população mundial. Tentar aprimorá-lo apresenta alto risco e potencial recompensa elevada.

Nossa ideia original para este trabalho era tornar as pequenas propriedades rurais no Minnesota mais autossuficientes em relação ao fertilizante nitrogenado. A possibilidade de obter um combustível para cidades com escassez de energia, armazenando energia eólica na forma de amônia líquida, foi um ganho inesperado. A chave para o processo baseado em absorção é desenvolver um agente absorvente estável e reutilizável que capture eficientemente a amônia à medida que ela é produzida.

Ao substituir o condensador convencional por um leito absorvente, estamos mais próximos de um processo de geração de amônia mais barato e seguro, adequado para fabricação em pequena escala.