Синтез аммиака при низком давлении

Общая цель данной процедуры заключается в производстве аммиака из воздуха, воды и энергии ветра в рамках низкотемпературного процесса с незначительным уровнем выбросов диоксида углерода. Этот метод позволяет решить ключевые проблемы производства аммиака, такие как эффективность реакции, распределение продуктов и выбросы диоксида углерода. В данном процессе вместо конденсатора используется твердый селективный абсорбент аммиака.

Постоянное удаление аммиака из системы снижает вероятность протекания обратной химической реакции. Основным преимуществом данного процесса является возможность его проведения при более низком давлении, что делает его более безопасным и менее затратным. Мы с Кори Маркварт эксплуатируем установку для традиционного процесса, которая в 30 000 раз меньше типичных заводов.

Это создает стандарт для сравнения с абсорбционным процессом. Майк Риз и Кори Маркварт управляют традиционной маломасштабной установкой в городе Моррис, штат Миннесота. Демонстрацию процесса, основанного на абсорбции, проведет Махди Мальмали, постдок, работающий в нашей лаборатории.

Перед началом процесса запустите установку по производству аммиака и нагрейте каталитический реактор до 440 °C. Установите температуру конденсатора на -18 °C. Затем включите осушитель воздуха, воздушный компрессор и генератор азота.

Включите бустер азота для заполнения резервуаров с азотом. Включите чиллер, установку деионизации воды, электролизер и бустер водорода. Убедитесь, что чиллер работает и охлаждающая жидкость циркулирует.

Затем установите регулятор подачи азота на 300 PSI. Откройте клапан подачи азота, чтобы начать создание давления в технологической установке. Закройте перепускной клапан азота, когда давление в установке достигнет 300 PSI.

Затем установите регулятор подачи водорода на 1, 200 PSI и откройте клапан водорода. Когда давление в установке достигнет 1, 200 PSI, закройте клапан водорода. Запустите установку, чтобы начать циркуляцию газовой смеси азота и водорода в соотношении один к трем через систему.

По завершении процесса храните конденсированный аммиак при давлении 150 PSI. Для подготовки реактора измельчите частицы катализатора в ступке и пестике до размера менее 1 мм. Заполните измельченным катализатором трубку диаметром 0,25 дюйма.

Для подготовки абсорбера поместите 80 граммов хлорида кальция или эквивалентное количество другого селективного абсорбента аммиака в колонну длиной 30 сантиметров с внутренним диаметром 2,3 сантиметра. Заполните концы колонны достаточным количеством опорного материала, чтобы зафиксировать абсорбент. Установите абсорбер и реактор в экспериментальную установку.

Нагрейте реактор до 450 °C, используя рекомендованную процедуру температуры активации, при этом пропускайте водород через реактор со скоростью 500 SCCM для завершения активации катализатора. В режиме ожидания системы держите активированный катализатор под подушкой сверхчистого азота. Чтобы начать процесс генерации аммиака, закройте выпускной клапан, доведите температуру реактора до 400 °C, а абсорбера — до 180 °C.

Продуйте систему сверхчистым азотом, несколько раз создавая давление и сбрасывая его. Затем заполните систему смесью азота и водорода в соотношении от 1:3. Остановите массовые расходомеры азота и водорода.

Закройте впускной клапан реактора. Откройте выпускной клапан реактора и запустите рециркуляционный насос. Контролируйте температуру в реакторе и абсорбере по мере начала реакции и при необходимости корректируйте ее, чтобы компенсировать экзотермические процессы.

Проводите процесс в течение пяти часов или до тех пор, пока абсорбер не начнет прорываться, о чем свидетельствует снижение изменения давления в системе с течением времени. Откройте впускной клапан азота и выпускной клапан аммиака и снизьте давление в системе до атмосферного. Пропускайте азот через систему со скоростью 100 SCCM, одновременно нагревая абсорбер в течение пяти часов для удаления аммиака.

Высокое давление, используемое в традиционном методе, необходимо для смещения равновесия в сторону прямой реакции при высоких температурах. В методе разделения при низком давлении аммиак отделяется более полно, прежде чем успевает вступить в обратную реакцию. Наблюдалось значительное увеличение степени конверсии по сравнению с традиционным методом.

Начальные скорости реакции при использовании метода разделения соответствовали опубликованным значениям и результатам отдельных экспериментов по химической кинетике. При применении метода абсорбционного поглочения в начальных скоростях реакции наблюдалась температурная зависимость. Общая скорость реакции демонстрировала гораздо меньшую зависимость от температуры, что указывает на то, что скорость каталитической реакции не является основным лимитирующим фактором скорости конверсии в методе разделения.

Адсорбент эффективно удалял аммиак из системы, однако емкость колонки снижалась после каждого цикла. В настоящее время ведутся исследования по продлению срока службы адсорбционной колонки. Было установлено, что кинетика абсорбции не является значимым лимитирующим фактором для производства аммиака.

Было установлено, что скорость рециркуляционного потока коррелирует со скоростью реакции, что указывает на то, что этот этап является основным лимитирующим этапом процесса. Данный процесс позволяет получать аммиак из воздуха, воды и энергии ветра. Воздух и вода служат источниками азота и водорода, получаемыми методами короткоцикловой адсорбции и электролиза соответственно.

Энергия для этого процесса поступает от ветра. Процесс Габера-Боша — это реакция со столетней историей, которая обеспечивает продовольствием значительную часть населения мира. Попытки его совершенствования сопряжены с высоким риском, но потенциально могут принести большую выгоду.

Первоначальная идея этой работы заключалась в том, чтобы сделать семейные фермы в сельских районах Миннесоты более самодостаточными в плане азотных удобрений. Неожиданным преимуществом стала возможность создания топлива для городов с дефицитом энергии путем хранения энергии ветра в виде жидкого аммиака. Ключом к процессу абсорбции является разработка стабильного многоразового абсорбента, который эффективно улавливает аммиак по мере его образования.

Заменив традиционный конденсатор абсорбционным слоем, мы приблизились к созданию более дешевого и безопасного процесса получения аммиака, подходящего для малотоннажного производства.