Síntese de amônia a baixa pressão

O objetivo geral deste procedimento é produzir amônia a partir de energia gerada pelo ar, água e vento em um processo de baixa pressão com emissões insignificantes de dióxido de carbono. Este método pode ajudar a resolver questões-chave na produção de amônia, como eficiência de reação, distribuição de produtos e emissões de dióxido de carbono. O processo usa um absorvente sólido selecionado por 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 executado em pressões mais baixas, o que é mais seguro e menos caro. 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 absorvente. Mike Reese e Cory Marquart estão operando a planta convencional de pequena escala em Morris, Minnesota. Demonstrando o processo baseado em absorção estará Mahdi Malmali, um pós-doutorando afiliado ao nosso laboratório.

Antes de iniciar o processo, inicie a planta de geração de amônia e aumente o reator catalítico para 440 graus Celsius. Defina 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 chiller, a unidade de deionização de água, o eletrolisador e o booster de gás hidrogênio. Verifique se o chiller está operacional e se o líquido de resfriamento está fluindo.

Em seguida, defina o regulador de entrada de nitrogênio para 300 PSI. Abra a válvula de nitrogênio para começar a pressurizar o skid do processo. Feche a válvula de desvio 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 ciclar a mistura de um a três gases nitrogênio para hidrogênio pelo sistema.

Após o término do processo, armazene a amônia condensada a 150 PSI. Para preparar o reator, use um almofariz e pilão para moer as partículas do catalisador com menos de um milímetro de tamanho. Embale o catalisador de aterramento em um tubo de 0,25 polegadas.

Para preparar o absorvedor, embale 80 gramas de cloreto de cálcio ou uma quantidade equivalente de outro absorvente seletivo de amônia em uma coluna de 30 centímetros com um diâmetro interno de 2,3 centímetros. Tampe as extremidades da coluna com material de suporte de embalagem suficiente para imobilizar o absorvente. Instalar o absorvedor e o reator no aparelho experimental.

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

Lave o sistema com gás nitrogênio ultrapuro pressurizando e ventilando repetidamente o sistema. Em seguida, pressurize o sistema com uma mistura de um a três gases 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 ligue a bomba de recirculação. Monitore as temperaturas do reator e do absorvedor à medida que a reação começa e ajuste-as conforme necessário para compensar os processos exotérmicos.

Execute o processo por cinco horas ou até que o absorvedor comece a romper, conforme indicado por uma diminuição na mudança na 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. Flua nitrogênio através do 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 de baixa pressão, a amônia é mais completamente separada antes que possa sofrer a reação reversa. Observou-se um aumento significativo na taxa de conversão em relação ao método convencional.

As taxas de reação iniciais do método de separação foram consistentes com os valores publicados e experimentos de cinética química separados. Observou-se variação de temperatura nas taxas de reação iniciais do método de absorção de reação. A taxa de reação geral mostrou muito menos dependência da 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. A investigação sobre o prolongamento da vida útil da coluna absorvente está em andamento. A cinética de absorção não foi considerada um fator significativamente limitante para a produção de amônia.

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

A energia para o processo vem do vento. O processo Haber-Bosch é uma reação centenária que alimenta uma grande fração da população mundial. Tentar melhorá-lo tem alto risco e recompensa potencialmente alta.

Nossa ideia original para este trabalho era tornar as fazendas familiares na zona rural de Minnesota mais autossuficientes para seus fertilizantes nitrogenados. A promessa de um combustível para cidades com escassez de energia, armazenando energia eólica como amônia líquida, foi um ganho inesperado. A chave para o processo baseado em absorção é desenvolver um absorvente reutilizável estável que retenha eficientemente a amônia à medida que 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.