Düşük basınçta amonyak sentezi

Bu prosedürün genel amacı, ihmal edilebilir karbondioksit emisyonları ile düşük basınçlı bir proseste hava, su ve rüzgar tarafından üretilen enerjiden amonyak üretmektir. Bu yöntem, amonyak üretimindeki reaksiyon verimliliği, ürün dağılımı ve karbondioksit emisyonları gibi temel sorunların ele alınmasına yardımcı olabilir. İşlem, bir kondansatör yerine katı amonyak ile seçilmiş bir emici kullanır.

Amonyağın sistemden sürekli olarak uzaklaştırılması, ters kimyasal reaksiyonun oluşumunu azaltır. Bu işlemin temel avantajı, daha güvenli ve daha ucuz olan daha düşük basınçta gerçekleştirilebilmesidir. Cory Marquart ve ben, geleneksel proses için tipik tesislerden 30.000 kat daha küçük bir tesis işletiyoruz.

Bu, emici işlemle karşılaştırma için bir standart verir. Mike Reese ve Cory Marquart, Morris, Minnesota'daki geleneksel küçük ölçekli tesisi işletiyor. Absorpsiyona dayalı süreci göstermek, laboratuvarımıza bağlı bir doktora sonrası araştırmacı olan Mahdi Malmali olacaktır.

Prosese başlamadan önce amonyak üretim tesisini çalıştırın ve katalitik reaktörü 440 santigrat dereceye yükseltin. Kondenser sıcaklığını eksi 18 santigrat dereceye ayarlayın. Ardından hava kurutucuyu, hava kompresörünü ve nitrojen jeneratörünü açın.

Nitrojen besleme tanklarını doldurmak için nitrojen gazı boosterını açın. Soğutucuyu, su deiyonizasyon ünitesini, elektrolizörü ve hidrojen gazı güçlendiriciyi açın. Soğutucunun çalışır durumda olduğunu ve soğutma sıvısının aktığını doğrulayın.

Ardından nitrojen giriş regülatörünü 300 PSI'ye ayarlayın. Proses kızağını basınçlandırmaya başlamak için nitrojen valfini açın. Kızak 300 PSI'ye ulaştığında nitrojen baypas valfini kapatın.

Ardından, hidrojen giriş regülatörünü 1.200 PSI'ye ayarlayın ve hidrojen valfini açın. Kızak 1.200 PSI'ye ulaştığında, hidrojen valfini kapatın. Bir ila üç nitrojen-hidrojen gazı karışımını sistem boyunca döndürmeye başlamak için kızağı başlatın.

İşlem bittikten sonra yoğunlaştırılmış amonyağı 150 PSI'da saklayın. Reaktörü hazırlamak için, katalizör parçacıklarını bir milimetreden daha küçük boyutta öğütmek için bir havan ve havan tokmağı kullanın. Toprak katalizörünü 0,25 inçlik boruya yerleştirin.

Emiciyi hazırlamak için, 80 gram kalsiyum klorür veya eşdeğer miktarda başka bir amonyak seçici emiciyi, iç çapı 2,3 santimetre olan 30 santimetrelik bir sütuna paketleyin. Emiciyi hareketsiz hale getirmek için kolonun uçlarını yeterli salmastra destek malzemesi ile tıkayın. Emiciyi ve reaktörü deney aparatına takın.

Katalizör aktivasyonunu tamamlamak için hidrojeni reaktörden 500 SCCM'de akarken önerilen aktivasyon sıcaklığı prosedürünü kullanarak reaktörü 450 santigrat dereceye ısıtın. Sistem boştayken aktif katalizörü ultra saf nitrojen gazı örtüsünün altında tutun. Amonyak üretim işlemine başlamak için çıkış vanasını kapatın ve reaktörü 400 santigrat dereceye ve emiciyi 180 santigrat dereceye yükseltin.

Sistemi tekrar tekrar basınçlandırarak ve havalandırarak sistemi ultra saf nitrojen gazı ile yıkayın. Ardından, sisteme bir ila üç nitrojen ve hidrojen gazı karışımı ile basınç uygulayın. Nitrojen ve hidrojen kütle akış kontrolörlerini durdurun.

Reaktör giriş vanasını kapatın. Reaktör çıkış vanasını açın ve devridaim pompasını çalıştırın. Reaksiyon başladığında reaktör ve emici sıcaklıklarını izleyin ve ekzotermik süreçleri telafi etmek için bunları gerektiği gibi ayarlayın.

İşlemi beş saat boyunca veya zaman içinde sistem basıncındaki değişimin azalmasıyla belirtildiği gibi emici kırılmaya başlayana kadar çalıştırın. Nitrojen giriş valfini ve amonyak çıkış valfini açın ve sistemi atmosferik basınca düşürün. Amonyağı serbest bırakmak için emiciyi beş saat ısıtırken nitrojeni 100 SCCM'de sistemden akıtın.

Konvansiyonel yöntemde kullanılan yüksek basınçlar, yüksek sıcaklıklarda ileri reaksiyonu desteklemek için gereklidir. Düşük basınçlı ayırma yönteminde, amonyak ters reaksiyona girmeden önce daha tamamen ayrılır. Konvansiyonel yönteme göre dönüşüm oranında önemli bir artış gözlendi.

Ayırma yönteminin ilk reaksiyon hızları, yayınlanan değerler ve ayrı kimyasal kinetik deneyleri ile tutarlıydı. Reaksiyon absorpsiyon yönteminin ilk reaksiyon hızlarında sıcaklık değişimi gözlendi. Genel reaksiyon hızı, çok daha az sıcaklık bağımlılığı gösterdi, bu da katalitik reaksiyon hızının, ayırma yöntemindeki dönüşüm hızı için önemli bir sınırlayıcı faktör olmadığını gösteriyor.

Emici, amonyağı sistemden verimli bir şekilde uzaklaştırdı, ancak kolonun kapasitesi her döngüden sonra azaldı. Emici kolonun ömrünün uzatılmasına yönelik araştırmalar devam etmektedir. Absorpsiyon kinetiğinin amonyak üretimi için önemli ölçüde sınırlayıcı bir faktör olduğu bulunmadı.

Devridaim akış hızının reaksiyon hızı ile ilişkili olduğu bulundu, bu da bunun proses için birincil kontrol adımı olduğunu gösteriyor. Bu işlem hava, su ve rüzgardan amonyak yapabilir. Hava ve su, sırasıyla basınç salınımlı absorpsiyon ve elektroliz yoluyla nitrojen ve hidrojen kaynaklarıdır.

İşlem için enerji rüzgardan gelir. Haber-Bosch süreci, dünya nüfusunun büyük bir bölümünü besleyen asırlık bir tepkidir. Onu geliştirmeye çalışmak yüksek riske ve potansiyel olarak yüksek ödüle sahiptir.

Bu çalışma için orijinal fikrimiz, Minnesota kırsalındaki aile çiftliklerini azotlu gübreleri için daha yeterli hale getirmekti. Rüzgar bazlı enerjiyi sıvı amonyak olarak depolayarak enerji sıkıntısı çeken şehirler için bir yakıt vaadi beklenmedik bir kazanımdı. Absorpsiyona dayalı prosesin anahtarı, amonyağı üretilirken verimli bir şekilde yakalayan kararlı, yeniden kullanılabilir bir emici geliştirmektir.

Konvansiyonel kondansatörü emici bir yatakla değiştirerek, küçük ölçekli üretime uygun, daha ucuz ve daha güvenli bir amonyak üretim prosesine daha yakın hale geliyoruz.