저압에서 암모니아 합성

Bioengineering

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Summary

암모니아 기존의 촉매는 암모니아 선택적 흡수 제를 사용 하 여 낮은 압력에서 합성 될 수 있다.

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Cussler, E., McCormick, A., Reese, M., Malmali, M. Ammonia Synthesis at Low Pressure. J. Vis. Exp. (126), e55691, doi:10.3791/55691 (2017).

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Abstract

암모니아는 암모니아 선택적 흡수의 사용에 의해 낮은 압력에서 합성 수 있습니다. 바람 에너지, 합성 비료를 위한 암모니아를 필요로 하는 분야에서 로컬로 사용할 수 있는 프로세스를 구동 수 있습니다. 그것은 직접 사용 될 수 있는 인구 센터에서 멀리 수만 있기 때문에 이러한 풍력 에너지 "좌초" 라고 자주 합니다.

제안 된 낮은 압력 과정에서 질소는 공기 압력 그네 흡수를 사용 하 여 고 수소는 물의 전기 분해에 의해 생산 됩니다. 이러한 가스는 약 400 ° C 승격된 기존의 촉매의 존재에서 반 작용할 수 있다, 하는 동안 변환 종종 높은 압력에서 유일 하 게 가능한 시키는이 반응을 역 반응에 의해 제한 됩니다. 이 한계는 ammine 같은 칼슘 또는 마그네슘 염화 물에 흡수 하 여 제거할 수 있습니다. 같은 알칼리 금속 할로겐 효과적으로 반응의 평형 제약을 억제 하므로 암모니아를 제거할 수 있습니다. 제안 된 흡수 강화 된 암모니아 합성 과정에서 반응의 속도 수 있습니다 다음 제어할 수 화학 속도 론도 흡수 속도 의해 아닙니다 그러나 unreacted 가스의 재활용의 속도 의해. 결과 기존의 소규모 하버-보쉬 프로세스에서에서 만든 암모니아와 호의적으로 비교 합니다.

Introduction

암모니아는 주요 산업 화학 제품 이다. 그것은 20번째 세기1,2의 가장 중요 한 혁신 중 하나로 알려져 있는 하버-보쉬 과정을 통해 생산. 암모니아 합성은 고온에서 이질적인 촉매의 면 전에 서 수행 (> 375 ° C) 및 압력 (> 100 바)3. 이러한 높은 온도 압력 요구 사항을 만드는 암모니아 합성 매우 에너지-그리고 자본과. 암모니아의 150 백만 톤 생산 약, 각 년4, 1-3%의 세계의 에너지 소비, 천연 가스 소비량의 5%를 차지 하 고 기후 변화 가스 배출량5,6,의 3% 7.

암모니아는 두 가지 주요 잠재적인 용도가 있다. 첫째, 암모니아 합성 질소 비료1입니다. 이 비료 없이 충분 한 음식에 액세스할 수 없는 것이 현재 인구의 절반. 둘째, 암모니아는 벡터로 에너지, 탄소 중립 액체 연료 또는 간접 수소 캐리어8,9,,1011사용할 수 있습니다. 일반적으로, 재생 가능한 자원 (예: 바람)을 사용할 수 있습니다 underpopulated 농촌 지역, 어디 그것은 캡처할 수 있습니다. 격리 된 바람 및 태양 에너지의이 유형은 "좌초" 이라고 합니다. 이 시나리오에서는 신 재생 에너지 소스의 전기 및 열 에너지는 에너지 밀도 탄소-중립 액체 암모니아에 변환 됩니다. 액체 암모니아 생산 도시 센터, 암모니아 기반 연료 전지12 및 내부 연소 엔진13, 직접 사용할 수 있습니다 또는 그것과 수소에 분해할 수 있는 수소 연료 전지에 사용 될 다음 전달할 수 또는 수소 방송을 수 있습니다. 결과적으로, 우리는 미국의 붐비는 도시 지역에 미국 대초원의 바람을 이동할 수 있습니다.

비료 사용으로 인해 주로 암모니아 제조 주요 산업 이다. 그러나 실내 온도에, 암모니아 합성 반응은 이다 발열 그리고 그러므로-적어도 원리에서-강한 질소 질소 유대 때문에 자발적인14,, 주위 조건 하에서 반응 달성은 매우 어려운 15. 이것을 극복 하기 위해 후 리츠 Haber 유명 사용 높은 온도 빠른 속도 달성 하기 위해 하지만 이러한 높은 온도 의미 역 반응 생산을 저해. 이 역 반응의 임무를 줄이기 위해, 하버 변환 향상 높은 압력 사용. 그는 여전히 펜에 BASF 식물 장식 총 신에 대형 반응에 실시 한다.

반응 수 잠재적으로 훨씬 더 겸손 한 조건에서 실행 될 때 높은 온도 압력을 사용 하는 필요성에 대 한 좌절된 화학자 세기2있다. 과정은 상용화 후에 칼 보쉬와 BASF에서 거 대 한 코 호트 찾고 더 나은 촉매 전체 주기율표를 통해 휘저어. 보쉬 작은 성공 했다, 하는 동안 검색이 계속 됩니다. 심지어 지난 1 년, 새로운 촉매를 추구 하기 위한 새로운 연구 프로그램 시작 된16,17이었다. 암모니아 합성의 상세한 화학은 지금 잘 이해14, 그리고 새로운 촉매에 대 한 검색에 성공 하면 그것은 확실히 노력 가치가 있을 것입니다. 그러나, 우리의 보기에서 과거 실패 미래 성공의 가능성을 줄일.

다음 텍스트에서 소규모 암모니아 합성 과정을 설명 하 고 대체 프로세스를 조사 동기 부여 설명 했다.

소규모 프로세스:

바람 생성 암모니아
암모니아 합성에 대 한 하버-보쉬 프로세스 개선 로컬로 작동 될 수 있다 하지만 무시할 수 양의 이산화탄소를 생산 하 고 훨씬 더 작고, 더 간단한 과정을 추구는 우리. 바람에서 로컬 암모니아 제조의 타당성 모리스, 미네소타에 위치 해 있으며18 그림 1표시 된 파일럿 플랜트에서 이미 입증 되었습니다. 모리스는 버팔로 리 지, 미네소타의 남서 코너에서 롤링 힐스의 60 마일의 형성에 있다. 능선에는 비정상적으로 꾸준한 강한 바람, 대초원에 걸쳐 압 연 있다. 결과적으로, 그것은 바람에서 생성 된 전기에 대 한 메카입니다.

이 전기, 우리 이미 제조 바람에서 암모니아 40 천 시간 보다 작으면 화석 연료에 대 한 기존의 상업 운영이이 식물을 사용 하 여. 어떤 바람 생성 전기 압력 스윙 흡착에 의해 공기, 공기 분리 사용, 예를 들어 필요한 산소 농축 공기 폐기 종 환자에 대 한 설립된 방법에서 질소를 만드는 데 사용 됩니다. 그러나, 전기의 더 많은 물의 전기 분해에 의해 수소를 만드는 데 사용 됩니다. 이 가스는 그림 2에서 개요로 표시 하는 과정에서 기존의 촉매를 통해 결합 됩니다. 반응 후 가스 응축 액체 암모니아를 장난으로 구분 됩니다. Uncondensed 암모니아로 서 unreacted 가스는 재활용.

파일럿 플랜트의 세부 사항
우리의 파일럿 플랜트, 미네소타 재생 수소와 암모니아 파일럿 플랜트의 대학에에서 전기 전원 공존된 1.65 MW 바람 터빈에서 제공 됩니다. 파일럿 플랜트는 미네소타 대학에서 사용 하는 나머지 전원 생성 되는 전력의 약 10%를 사용 하 여 모리스 캠퍼스.

수소 생산 시스템은 electrolyzer, 부스터 압축기, 열 냉각기를 사용합니다. 시간당 2400 psi 24를 사용 하 여에 저장 되는 수소 가스의 0.54 kg을 생산 하는이 시스템의 전기 kWh. 현장 우물에서 물 역 삼 투와 이온화 시스템을 사용 하 여 정화 이다. 물 다음 최대 15 L/h. 질소 질소 발생기, 사전 공기 압축기, 공기 건조 기, 그리고 부스터 압축기를 사용 하 여 생성의 속도로 electrolyzer에 공급 됩니다. 질소 가스는 약 6을 사용 하 여 2, 400 psi에 저장 kWh 전기의.

암모니아의 합성 사용자 정의 스키 드를 사용합니다. 그것은 20 kW 전기 히터, 냉동 냉각 루프, 반응 기, 압축기를 포함 한다. 스키 드 사용 약 28 시간 다음 150 psi에 저장 되는 암모니아의 2.7 k g 생산 전기 kWh. 암모니아 생산 공정 통합된 PLC와 HMI 시스템으로 제어 됩니다. 생산된 수소와 질소 18 질소 stora에 사이트에 저장 됩니다.ge 탱크 그리고 54 수소 저장 탱크입니다. 암모니아는 3100 갤런 선박 내에서 저장 된 현장 이기도합니다.

풍력 발전은 비싼
이 프로세스에 대 한 전기는 바람, 고 암모니아를 만들기 위한 연료는 화석 연료를 사용 하지 않고 무료, 그래서. 그러나,이 파일럿 플랜트에 대 한 자본 비용 암모니아 합성 및 수소 생산에 대 한 투자에 의해 지배 된다. 작업 날짜에 소규모 암모니아를 만드는 비용에 대해 두 번의 화석 연료에 기반 하는 기존의 암모니아는 것이 좋습니다. 우리는 우리의 프로세스를 최적화 하기 위해 계속, 하는 동안 우리는 소규모 바람 생성 된 암모니아는 현재 천연 가스 가격에 경쟁 하지 되지 않습니다 믿습니다. 만든 대량 암모니아 당 비용 줄일 수 있는 큰 전통적인 프로세스 또는 다른 프로세스에 의해 그런 자본 다음이이 문서에 설명 되어 있습니다.

흡수 과정:

흡수 강화 생산
암모니아 합성 용 촉매19지난 세기 동안 거의 변하지 않게 남아 있다. 결과적으로, 우리는이 연구에서 다른 접근을 실행 했다. 우리는 현재 촉매 및 작동 온도 적용 하지만 형성 되 자 마자 겸손 한 압력에서 암모니아를 흡수. 우리는 어떤 unreacted 수소와 질소를 재활용. 과정 개요로 그런 그림 3기존의 프로세스와 유사 하지만 층 흡수와 콘덴서를 교체.

초기 반응 속도 론 변경 되지 않습니다.
낮은 변환에이 시스템 실험이 시스템3,,1415,20,21 에 이전 연구의 많은 일치 하는 초기 반응 속도 표시 , 22 , 23, 그림 4와 같이. 왼쪽된 패널 강하게 온도 변화는 초기 속도 보여줍니다. 이러한 속도 또한 압력 변화, 오른쪽 패널에 표시 된 것 처럼 작은 변이 있습니다. 우리의 새로운 과정에서 우리 같은 촉매를 사용 하 여 비슷한 작동 조건, 하지만 낮은 압력에서 흡수를 사용 하 여 암모니아 생산을 개선 하는 방법을 추구. 우리는 따라서 암모니아 합성에 대 한 자본 비용을 줄이기 위해 희망.

흡수 강화 변환
우리의 작업에서 우리는 흡수의 작은 입자로 채워진 원통형 그릇은 포장된 침대 작은 과정에서 콘덴서 대체. 우리 absorbents를 염화 마그네슘과 염화 칼슘11,24의 주로 강조 했다. 이러한 ammine absorbents는 2 개의 효력이 있다. 첫째, 그들은 가까운 0에 재활용된 가스에 암모니아 농도 줄일. 둘째, 그들은 효과적으로 제로 근처에 분리에 대 한 시간을 줄일. 이 전략은 생산25,,2627이다. 예를 들어 그림 5에서 우리는 비례 총 압력에 드롭 하는 시스템에서 암모니아를 만드는 속도가 없이 보다 흡수와 훨씬 더 보여줍니다. 특히, 90 바, 빨간 원으로 표시 된 반응이, 흡수와 반응 보다 덜 완전 한 파란색 삼각형27여. 이것은 진정한도 흡수 하지 않고 반응 일어난다 압력에 거의 두번 흡수와 반응 의입니다. 이전 실험 (여기에 표시 되지)에서 우리는 또한 궁극적인 변환 프로세스의 흡수와 95% 이상만 흡수 하지 않고 약 20%는 보였다.

반응의 속도 없이 보다 훨씬 적은 흡수와 온도 따라 다릅니다. 이 그림 6에 다시 시간27 총 압력으로 암모니아 종합 보고서에 표시 됩니다. 60 ° C에서 반응 온도 변경 반응 속도에 작은 효과가 있다. 이 그림 4의 크기 거의 순서 반응 속도의 변화를 보여주는 초기 속도와 대조 됩니다. 그림 4 그림 6 에 결과 되므로 다른 역 반응의 효과 감소 하기 때문에 화학 반응 속도 론은 더 이상 유일한 단계 전반적인 속도 대 한 책임.

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Protocol

1. 파일럿 플랜트 시작

    공기 건조 기, 공기 압축기와 질소에 질소 생산 시스템
    1. 차례
    2. 발전기. 공기 압축기 탱크에 공기의 적어도 800 인민군 인지 확인 합니다. 이 때까지 0.004% (40 ppm) 산소는 질소에서 보다는 더 이상 버퍼 탱크에 질소를 보내는 유지.
    3. 질소에 가스 부스터입니다. 가스 부스터 17 MPa로 높은 압력에서 질소 공급 탱크를 채우기 시작.
  1. 수소 생산 시스템
    1. 냉각기, 물 이온화 단위 및 electrolyzer는. electrolyzer electrolyzer 시작 있도록 빠져나가 부정적인 압력을 측정 하는 유량 센서 때문에 배기 시스템 없이 작동 하지 않습니다. 0.54 k g/h의 속도와 수소는 생성 하 고 방전 압력 약 1.5 MPa를 될 것입니다.
    2. 켜 수소 가스 부스터입니다. 냉각 장치 작동 하 고 냉각 액체 흐르는 확인 하십시오. 수소 공급 탱크까지 17 MPa 채워질 것 이다.
  2. 암모니아 스키 드 시작
    1. 제어 실에서 컴퓨터를 사용 하 여 다음을 수행:
      1. 건물에 대 한 비상구를 확인 합니다.
      2. 건물에서 산소, 수소, 암모니아 농도 20%, 19 ppm, 35 ppm, 각각 있는지 확인 하십시오.
      3. 수소 및 질소 공급 탱크 17 mpa 부과 됩니다 확인 하십시오.
      4. 암모니아 샘플러 및 체중 탱크 밸브 무시 됩니다 있는지 확인 하십시오.
      5. 압력솥 질소와 스키 드 스키 드를 설정 하 여 ' 2.5 mpa s 질소 유입 레 귤 레이 터. 300 psi에 질소 압력 레 귤 레이 터를 설정 하 고 오픈 질소 바이패스 밸브 300 psi에 질소와 스키 드를 채우기 위해. 그 압력에 도달 하면 다음 질소 밸브를 닫습니다. 1200 psi 수소를 정기적으로 설정 하 고 1200 psi를 채우기 위해 스키 드 수 있도록 수소 밸브를 엽니다. 수소 바이패스 밸브를 닫습니다.
      6. 수소 입구 밸브를 열고 스키 드를 설정 ' 10 mpa s 수소 입구 레 귤 레이 터.
      7. 1 mpa NH 3 압력 레 귤 레이 터 설정.
      8. 닫기/열기는 스키 드, 압축기, 공기 밸브에 여러 바이패스 밸브를 제어 소프트웨어 GUI를 사용 하 여.
      9. 제어 소프트웨어 GUI를 사용 하 여 스키 드 N 2의 1:3 비율로 공급 되도록 PID 컨트롤러의 몇 차례: H 2.
      10. 제어 실에서 소프트웨어를 제어 하는 마스터 GUI를 사용 하 여, 스키 드 시작. 스키 드에서 가스 recirculate 신선한 피드 주입을 시작 하는 압축기.
      11. 에는 GUI 소프트웨어, 제어 반응 및 응축 온도 설정 합니다. 반응 기 및 응축 기 온도 440 ° C와-25 ° C에서 각각 설정 됩니다.
        참고: 세트 포인트 온도 정상 상태 조건 달성을 원자로 대 한 최대 4 일 걸립니다.

2. 실험 기구 시작

  1. 원자로 준비 및 감소
    1. 무게 3g 미리 감소의 촉매. 미만 1 m m 박격포 및 방 앗 공이 사용 하 여 촉매 입자의 입자 크기를 줄입니다.
    2. 튜브, 0.25에 촉매를 로드 하 고 양쪽에 석 영 울 놓습니다.
    3. PID 컨트롤러를 사용 하 고 적절 한 경사로와 반응 온도 (400 ° C) 원자로 온도 증가 하면서 (SCCM) 분당 500 표준 입방 센티미터의 유량과 반응 기를 통해 흐르는 수소. (표 1에 요약) 경사로 사용 하 여.
      참고: 온도 증가 적절 한 촉매 활동을 얻기 위하여 매우 부드러운 되어야 합니다.
    4. 24 h. 확인 촉매에 접촉으로 오는 공기 또는 불순물에 대 한 감소 과정을 계속 합니다. 질소의 담요에서 원자로 항상 유지.
  2. 흡수 준비
    1. 흡수 열 흡수 성 CaCl 2의 80 g 로드 (ID: 2.3 c m, 길이: 30 cm). 다른 흡수 성 크기에 따라 다른 흡수 포장 지원 된다 흡수, 양쪽 모두 층을 무력화 하기 위해.
    2. 어떤 습도 제거 하려면 증가 흡수 온도 350 ° C를 24 h. 위해 200 SCCM의 유량과 질소를 흐르는 동안
  3. 시작 반응 분리 테스트
    1. 각각 400 ° C 180 ° C를 원자로 및 흡수 온도 증가.
      참고: 적절 한 온도 경사로 사용 하 여 원자로 온도 증가. 변압기를 사용 하 여 온도 제어를 원활 하 게. 질소의 담요 아래 유휴 모드에서 시스템을 유지. 시작 하기 전에 어떤 테스트, 몇 번, 5 mpa 질소로 시스템을 충전 하 고 다음 압력을 놓습니다.
    2. GUI를 사용 하 여 수소 및 질소 질량 유량 컨트롤러 제어.
    3. 질소와 수소, 1: 3의 비율로 대상 압력 장치를 충전.
    4. 대상 압력을 달성 하 고, 일단 입구 밸브, 반응 기 출구 밸브를 열고 닫고 recirculating 펌프를 켭니다. 발열 반응 및 흡수, 원자로 및 흡수 온도 과정의 시작에 더 조심 제어 해야 할 수도 있습니다.
    5. 5 h에 대 한 테스트 지점 돌파구는 흡수가 시작 될 때까지 계속.
  4. 암모니아의 탈 착
    1. 입구와 출구 밸브를 엽니다.
    2. 감소 시스템 ' s 대기 압력에 압력 및 흡수 기의 온도 증가 흡수 성 물자에서 암모니아를 desorb에 5 h 100 SCCM의 유량과 질소를 흐르는 동안.

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Representative Results

그림 1에서 보듯이 모리스, 미네소타에서 파일럿 플랜트 바람을 사용 하 여 로컬 암모니아 제조18에 대 한 타당성을 설명 했다. 바람은 질소와 공기의 압력 그네 흡수를 통해 및 물, 전기 분해를 통해 수소를 각각 확인 하는 데 사용 되는 전기를 생성 합니다. 원자로 만드는 암모니아 질소와 수소 가스를 결합 하 여 기존의 촉매를 사용 합니다. 다음 암모니아는 콘덴서를 사용 하 여 구분 합니다.

여기 설명 하는 방법을 어떤 unreacted 수소와 질소를 재활용 하는 과정을 포함 합니다. 전체 절차는 콘덴서 층 흡수로 대체를 제외 하 고 그림 3기존의 프로세스 증명 비슷합니다. Absorbents는 주로 염화 마그네슘과 염화 칼슘으로 만들어진다. 그림 4에서 같이 낮은 변환에이 시스템에 의해 증명 하는 초기 반응 속도 많은 이전 연구와 일치. 시스템에서 총 압력 강하는 암모니아 생산 속도에 비례 이다. 그림 5에서 볼 수 있듯이이 속도가 없이, 보다 흡수와 훨씬 더입니다. 또한, 흡수, 반응의 속도 훨씬 적은 온도 (그림 6)를 다릅니다. 흡수와 60 ° C의 온도 변화는 효과가 거의 반응 속도에 초기 반응 속도 (그림 4) 보여 거의 크기 순서 변경 하는 동안.

온도와 압력 여기 사용, 순수한 ammines 안정 되지 않습니다. 특정된 흐름에서 침대에 의해 흡수 암모니아의 양은 반복된 사용 (그림 7) 후 감소 된다. 안정화는 흡수 용량을 높일 수 있습니다. 그림 8에서처럼 많은 주기에이 안정성은 알 루미나의 균열에서 트래핑 작은 마그네슘 염화 물 결정에 의해 얻을 수 있습니다. 흡수 제에 추가 개선 현재 조사 되 고 있다.

흡수, 화학 및 흡수 속도 론 그림 9에서 볼 수 있듯이 암모니아 생산을 제한할 수 있습니다. 무한 한 펌프 흐름에서 절편 반응 및 흡수의 저항을 포함합니다. 이 상호 작 때, 화학 반응 값은 큰. 높은 펌프 흐름 율 증가;에 해당 무한 한 펌프 흐름에서 유한 제한 속도 추정 수 있습니다.

Figure 1
그림 1입니다. 소규모 공장. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2입니다. 소규모 공장의 도식 그리기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3입니다. 흡수 과정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4입니다. 초기 반응 속도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5입니다. 변환 없이 고 흡수 분리. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 6
그림 6입니다. 흡수 반응. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 7
그림 7입니다. 현재 Absorbents는 제한. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 8
그림 8입니다. Absorbents의 현미경 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 9
그림 9입니다. 반응 재활용 흐름. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

피크 온도 (° C) 최대입니다. 증가 하는 온도 (° C/h)의 속도 단계 (h)을 난방에 시간 시간 (h)
주위-340 40 8 8
340-370 15-20 2 10
370-400 10-5 월 5 15
400-430 0-5 28 43
430-470 5 8 51
4 h 450 (° C)에서 보류 입구 온도

n 페이지 = "1" >표 1. 촉매를 사용 하는 온도 경사로.

7/14/2014 9/2/2014 9/17/2014 10/29/2014 1/9/2015
원자로 T 569 575 563 565 557
압력 p 112 72 124 117 128
콘덴서 T 404 365 425 413 420
반응 9 3 17 14 30
응축 0.019 0.012 0.021 0.02 0.022
재활용 0.004 0.005 0.004 0.003 0.003

표 2입니다. 일반적인 속도 데이터 파일럿 플랜트 가동 합니다.
화학 속도 론 큰 시간을가지고 반응, 응축, 그리고 재활용에 대 한 시간 표시 및 따라서 느린 속도. 단위: T (° C), p (바)

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Discussion

반응 흡수 실험 기구의 중요 한 단계:

질소와 수소 시스템에 아무 불순물은 다는 것을 확인 하십시오. 흡수 성 재료는 각 주기 후 변경 됩니다. 대부분의 경우, 고온에서 암모니아, 존재에서 흡수 성 물질 융합 하 고 큰 단단한 콘크리트를 형성 한다. 각 금속 할로겐 및 ammine 복잡 한의 열역학 속성에 따라 흡수와 탈 착에 대 한 적절 한 온도 고용 한다. 각 테스트 하기 전에 시스템 (흡수, 반응 기, 튜브, 밸브, 피팅, )에 걸쳐 압력 강하를 확인 한다, 재순환 루프, 흡수, 또는 반응 기 큰 압력을 부과 하지는 다는 것을 확인 하는 시스템 전체.

제한 사항: 최고의 Absorbents 알려진 지금 안정 되지 않습니다:

암모니아를 분리 하는 데 사용 ammine absorbents 큰 잠재 능력, 칼슘의 두더지 당 암모니아로 6 두더지 있다. 이 흡수는 고체에 있는 유포에 의해 제어 되 고 따라서 주변 가스에서 보급 보다 훨씬 느립니다. 높은 온도 압력 합성 반응 기에서 그는 작은 용량, 하지만 아직도 보통 금액 보다 여 수집 표면 흡착에의 흡수

그러나, absorbents, 특히 염화 마그네슘, 안정적인28되지 않습니다. 그 결과, 획기적인 커브 층 실험에는 재현, 그림 7에서 같이입니다. 이 그림 보고 염화 마그네슘의 입자의 층을 통해 흐르는 암모니아 질소 혼합물의 획기적인 곡선. 침대는 암모니아를 흡수지 않습니다 예상 대로, 하지만 주어진된 흐름에 흡수 금액 상품 침대를 반복적으로 사용. 동시에 침대에서 솔리드는 하나의 구체적인 질량에 자유로운 흐르는 분말에서 변경합니다. 이 융합은 흡수 속도가 훨씬 느린의 활동. 이 극복 하기 위해 우리는 염화 마그네슘의 작은 결정 지원의 포장된 침대를 했다. 같은 침대 안정적인 획기적인 곡선, 분명히는 알 루미나의 균열 내에 갇혀과 그림 828에 표시 된 작은 염화 결정에 의해 안정 표시지 않습니다. 흡수에 더 개선 활성 연구 초점에 남아 있다.

방법의 중요성: 지금 Unreacted 가스의 재생 제어:

제어 단계는 지금, 크게, unreacted 가스의 재활용의 속도 그림 9와 같이. 이 그림은 펌프 흐름의 상호 대 압력 변화의 상호를 플롯합니다. 압력 변화는, 물론, 우리는 그림 5그림 6에 사용 되는 반응의 동일한 측정: 화학 반응의 큰 값에 해당 하는이 상호의 작은 값. X 축에 표시 된 펌프 흐름의 상호 펌프 흐름 접근 무한대로 어떻게 조사를 단순히 편리한 방법입니다. 볼 수 있듯이 속도 높은 펌프 흐름에서 증가 하 고 무한 한 펌프 흐름에서 유한 제한 외삽합니다. 이 제한은 가깝습니다는 가능한 가장 빠른 반응 속도, 즉, 역 반응 또는 분리의 제약 없이 앞으로 반응 속도. 이 줄에 슬로프 unreacted 가스 재활용의 효과 측정 합니다.

위에 표시 된 결과 상당히 낮은 압력에서 암모니아의 향상 된 생산을 위한 반응 흡수 과정의 생존 능력을 확인 합니다. 예를 들어 측정의 한 세트, 우리는 80% 이상 얻은 상대 빠른 암모니아 합성 레이트를 변환. 이 25 바 낮은 압력에서 높은 생산 속도 가능한 암모니아 효율적으로 시스템에서 제거 될 때 나왔다. 흡수 반응 환경에서 합성된 암모니아를 분리 하 고 역 반응을 유도 한다.

우리의 흡수 연구에 대 한 현재 파일럿 플랜트에 대 한 데이터 표시 두더지 암모니아 시간 당 합성에 대 한 반응 속도 3으로 나눈 진정한 암모니아 농도 마이너스 평형에서 시스템에서 암모니아 농도 특성 시간입니다. 이 시기의 첫 번째 반응의 시간, 두 번째는 분리의 시간 이며 세 번째는 재활용에 대 한 시간. 이 시기의 예 표 1, 부분 암모니아 농도 의해 흡수 단계가 표시 됩니다. 현재, 반응의 시간은 큰, 그래서 기존 파일럿 플랜트의 생산성은 화학 반응 속도 의해 제어 됩니다. 우리는 온도 증가 시켜 반응 속도 높일 수 있습니다. 우리는 이렇게, 그리고 식물 잘 실행.

미래의 응용 프로그램 및 방향:

파일럿 프로세스와 흡수 과정에 대 한 데이터 특성 세 번으로 나누어 농도 차이 관점에서 분석할 수 있습니다. 좀 더 구체적으로,
Equation
CC * 있는 실제로 질소 농도 평형에 각각 제시 하 고 rxnτ, τ9 월τ재활용 반응의 시간 분리, 및 재활용, 각각. 작은 공장 및 우리의 초기 속도 측정 시간은 반응의 이다 큰, 즉, 가장 느린. 그것은 전체 속도 제어합니다. 따라서, 우리는 더 높은 온도에서 파일럿 플랜트를 실행 하고있다.

그러나, 우리의 흡수 과정에서 C * 평형에 농도 때문에 흡수 제로 근처입니다. 또한, 반응 및 흡수 불포화 베드에서의 시대는 재활용 시간 보다 다소 작습니다. 따라서, 재활용 흐름의 상호 대 역 반응 속도의 줄거리가 해야한다 직선 대략 그런 그림9. 이 라인에 슬로프 재활용 흐름에 해당 되어야 하며 절편 화학 요금 및 흡수 속도의 어떤 기여를 나타내는 것입니다. 우리의 예비 데이터는이 예측을 지원 하 고 있는 우리의 합성 개량 될 수 있다 추가 하는 방법을 제안.

이러한 결과 예비 하는 동안 그들은 여전히 감압 암모니아를 제조 하는 작은, 효율적인 프로세스의 디자인에 대 한 투기를 허용 합니다. 이 분명 효율적인 흡수에 따라 다릅니다. 최신 실험에서 우리는 집중 하지는 흡수의 속도에 따라서 그것의 실제 형상에. 우리는 발견이 기는 항상 반응 조건 하에서 안정 하 고 따라서 지속적인된 개발에 대 한 주요 영역을 나타냅니다. 우리는 또한 wor 하지 있다흡수에 필요한 금액에 대 한 리드: 더 많은 흡수를, 우리 간단 하 게 사용 더 흡수. 또한, 우리는 흡수 성 평생;에 대 한 걱정 하지는 우리는 흡수 성 속성 자주 사용, 모두 벌금을 형성 하 여 악화와 의해 분명히 보여주는 감소 표면 영역을 지적 했다. 이러한 모든 문제를 취급 하는 흡수 제와 흡수 디자인 더이 프로세스의 잠재력을 명확 하 게 확인 되어야 합니다. 그러나 순간, 예 후는 좋은.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 작품은 주로 지원 ARPA-E는, 미국 에너지 부, 미네소타 환경 및 천연 자원 신탁 기금에 의해의 한 부분으로 입법 시민 위원회 미네소타 자원, 그리고 MNDRIVE의 이니셔티브에 의해 권장 합니다 미네소타의 대학입니다. 추가 지원 드레퓌스 재단에서 왔다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Experimental Apparatus
Magnesium Chloride Sigma Aldrich 7786-30-3 St. Louis, MO
Calcium Chloride Sigma Aldrich 10043-52-4 St. Louis, MO
Ultra Pure Hydrogen Matheson SG PHYF30050 New Brighton, MN
Ultra Pure Nitrogen Matheson SG G1881112 New Brighton, MN
Iron Based Catalyst Clariant/Sud Chemie - Charlotte, NC
Variable Piston Pump PumpWorks Inc. PW2070N Minneapolis, MN
Omega Ceramic Heater Omega CRFC-36/115-A Stamford, CT
PID Controller Omega CN96211TR Stamford, CT
Signal Conditioner Omega DRG-SC-TC Stamford, CT
Pressure Transducer WIKA 50426877 Lawrenceville, Georgia
Mass Flow Controller Brooks Instruments SLA5850 Hatefield, PA
Name Company Catalog Number Comments
Pilot Plant
Electrolyzer Proton OnSite H6 Series Wallingford, CT
Gas Booster PDC Machine 3 2500  Warminster, PA
Wind Turbine Vestas V82 Portland, OR
Chiller Thermal Care SQ Series Niles, IL
Water Purifier Elga Pure Lab S-15
Nitrogen Generator Innovative Gas System NS-10 Huoston, TX
Air Compressor Hydrovane HV05

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References

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