低圧でのアンモニア合成

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

従来の触媒とアンモニア選択性吸着剤を用いた低圧でアンモニアを合成できます。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

アンモニア選択性吸着剤を用いて低圧でアンモニアを合成できます。プロセスは、アンモニア合成肥料のために必要とする領域でローカルで利用可能な風力エネルギーで駆動できます。このような風力エネルギーは、直接使用することができます人口中心から遠く利用のみであるため「孤立した」呼ばれます。

提案の低圧プロセスの圧力振動吸収を使用して空気から窒素を作ったし、水素は水の電気分解によって生成されます。これらのガスは、昇格させた従来触媒の存在下で約 400 ° C で反応できる、変換多くの場合高圧だけで可能なこの反応は、逆反応によって限界が。この制限は、アンミンのようなカルシウムまたはマグネシウム塩化物の吸収によって削除できます。このようなアルカリ金属のハロゲン化物は効果的にアンモニア、抑制反応の平衡制約を削除できます。提案吸収強化アンモニア合成プロセスで、化学反応速度論も吸収率ではなく、未反応ガスのリサイクル率にし、反応速度は制御します。結果は従来の小規模なハーバー ・ ボッシュ法から作られたアンモニアと好意的に比較します。

Introduction

アンモニアは、主要産業化学です。20th世紀1,2の最も重要な革新の 1 つとして知られているハーバー ・ ボッシュ法によって生産しています。アンモニア合成は高温触媒の存在下で実施 (> 375 ° C) と圧力 (> 100 棒)3。このような高い温度と圧力の要件を作るアンモニア合成非常にエネルギー-資本集約的。約、アンモニアの 1 億 5000 万トンが生産されて、世界のエネルギー消費量、天然ガス消費量の 5% の 1-3% 年4に各気候変動ガス排出量5,6の 3% まで 7

アンモニアには 2 つの主要な潜在的な使用。まず、アンモニアは合成窒素肥料1です。この肥料なし現在の人口の半分は、十分な食糧へのアクセスを持っていないでしょう。第二に、アンモニアは、カーボン ニュートラルな液体燃料または間接水素キャリア8,9,10,11としてエネルギー ベクトルとして使用できます。通常、再生可能な資源 (例えば風) が取得元; 過疎の農村部で使用できます。このタイプの分離の風力や太陽光エネルギーは、「孤立した」と呼ばれます。このシナリオでは、再生可能エネルギー源から電気と熱のエネルギーは、エネルギー密度の高いカーボン ニュートラルな液体アンモニアに変換されます。液体アンモニアの生産は、都市、アンモニア系燃料電池12と内燃エンジン13、直接使用することができますまたはそれは水素に分解できるし、水素燃料電池で使用に出荷することや水素ステーション。米国の混雑した都市部へアメリカの大草原の風を移動我々 は結果として、

肥料の使用が主な原因アンモニア製造が主要産業です。常温アンモニア合成反応は発熱と、それゆえ-原則、少なくともで-自発的な14、しかし、周囲条件下で反応を達成する強い窒素-窒素結合のため非常に困難です15. この問題を解決するフリッツ Haber 有名使用高温高速の速度を達成するために、これらの高温は逆の反応が生産を抑制したことを意味します。この逆の反応の抑制を減らすためには、Haber はコンバージョンを改善するのに高圧を使用します。彼はまだルートビヒスハーフェンで BASF 工場を飾る砲身で大規模な反応を実施しました。

反応がはるかに適度な条件下で実行可能性があるときに高い温度と圧力の両方を使用する必要性は、世紀2のフラストレートした化学者。プロセスが商品化された後もカール ・ ボッシュと basf の巨大なコホートをよりよい触媒を探して全体の周期表を通じてかき立てください。ボッシュに少し成功があった検索はまだ続きます。昨年と同様、新しい触媒を求めてを目指した新しい研究プログラムは開始される16,17だったアンモニア合成の詳細な化学は今よく理解14になり新しい触媒の検索が成功した場合、確かに努力価値があるでしょう。しかし、我々 のビューで、過去の失敗は将来の成功のチャンスを減らします。

次のテキストで小規模なアンモニア合成プロセスを説明すると、代替プロセスを調査する動機を説明します。

小規模なプロセス:

アンモニアの風力発電
ローカルで操作することができますが、炭酸ガスのごくわずかな量を生成するはるかに小さくより簡単なプロセスを求めて、アンモニアを合成するハーバー ・ ボッシュ法を進めています。風からローカル アンモニア製造の可能性は、モリス、ミネソタ州に位置し、18の図 1に示すようにパイロット プラントですでに実証されています。モリスは、バッファローのリッジ、ミネソタ州の南西の角にローリング ・ ヒルズの 60 マイルの形成に座っています。稜線は非常に安定した、強い風、草原をローリングします。その結果、風力発電のメッカです。

この電気を既に製造しております風からのアンモナル 40 千回化石燃料の既存商業操作よりも小さいであるこの植物を使用しています。いくつかの風力発電は、圧力スイング吸着による空気、空気分離を使用すると、たとえば、肺気腫酸素富化空気を必要としている患者のための確立された方法から窒素を作るためです。ただし、電気の多くは水の電気分解で水素を作るにされます。これらのガスは、図 2に模式的に示すプロセスで従来触媒結合されます。反応後のガスは、液体アンモニアを凝縮して低温で区切られます。Uncondensed アンモニアと同様、未反応のガスがリサイクルされます。

パイロット プラントの詳細
パイロット プラント、大学ミネソタ州の再生可能な水素とアンモニア パイロット プラントにて電力は併置 1.65 MW 風力タービンから提供されます。パイロット プラント発電、ミネソタの大学で使用される残りの力の約 10% を使用して、モリスのキャンパス。

熱チラー、ブースター コンプレッサー、電解水素製造システムを使用します。このシステム生成 0.54 kg 毎時 2,400 psi 24 を使用して格納されている水素ガスの電気の kWh。敷地内の井戸からの水は、逆浸透膜脱塩システムを使用して浄化されます。水は、窒素が窒素ガス発生装置、前空気圧縮機、空気の乾燥、ブースター コンプレッサーを使用して生成されます 15 L/h までのレートで電解槽に供給されます。窒素ガスは 2,400 psi 約 6 を使用してに格納されている電気の kWh。

アンモニアの合成は、カスタムの滑り止めを使用します。コンプレッサー、原子炉、冷凍冷却ループ、20 kW の電気ヒーターを含まれています。スキッドを使用して約 28 2.7 キロ時速 150 psi で、格納されているアンモニアを生産する電気の kWh。アンモニア生産プロセスは、内蔵 PLC や HMI システムで制御されます。作り出された水素と窒素 18 窒素 stora のサイトに格納されます。ge タンクおよび 54 の水素貯蔵タンク。アンモニアもストアド オンサイト 3,100 ガロン容器内です。

風力発電は、高価な
このプロセスのために電気は風から作られて、アンモニアを作るための燃料は化石燃料を一切使わず無料でだから。しかし、このパイロット プラントの資本コストは、水素とアンモニア合成のための投資によって支配されます。日付操作は、小規模、アンモニアのコストが化石燃料に基づく従来のアンモニアの約 2 倍をお勧めします。我々 は私たちのプロセスを最適化し続ける、小規模風力生成されたアンモニアが現在の天然ガス価格で競争できないことと信じています。この論文では次に説明する作られた大量のアンモニアあたりコスト減らすことができるより大きい従来プロセスまたは別のプロセスによってそのような首都。

吸収プロセス:

吸収を高める生産
アンモニア合成用触媒変わってほぼ19の最後の世紀の間。その結果、本研究では異なるアプローチを行っています。我々 は現在の触媒と動作温度を適用、それは形成されるとすぐに適度な圧でアンモニアを吸収します。未反応の水素と窒素をリサイクルしています。プロセスは、概略図 3、従来のプロセスとほぼ同じようなことが充填層の吸収体でコンデンサーを交換します。

初期の反応速度を変更しないでください。
このシステム3,14,15,20,21に関する以前の研究の多くと一致する最初の反応率低変換で、このシステムの実験します。,22,23図 4に示すように。左のパネルには、温度によって強く初期のレートが表示されます。これらの料金も圧力と異なりますが、バリエーションが右側のパネルに示すように、小さいです。私たちの新しいプロセス同じ触媒と同様の操作条件を使用して、しかし、低い圧力で吸収を利用したアンモニアの生産を向上させる方法を模索します。このようにアンモニア合成の資本コストを削減したいです。

吸収を高める変換
我々 の仕事で吸収液の微粒子を入れた円筒容器である充填層と小さなプロセスでコンデンサーを交換しました。塩化マグネシウム、塩化カルシウム11,24の主に吸収剤を強調しました。このようなアンミン吸収剤 2 つの効果があります。最初に、彼らはゼロ近くにリサイクルのガスにアンモニア濃度を減らします。第二に、彼らは効果的にゼロに近い分離のための時間を減らします。この戦略は、生産性の高い25,26,27です。たとえば、図 5のシステムに全圧の低下に比例してあるアンモニアを作る率が方なしよりも吸収が大きくなることを示す.特に、赤い円が表示される、90 のバーで反応は、吸着剤との反応よりより少なく完全な27の青い三角形によって示されています。これは、吸収せず反応で起こる圧力倍吸収反応でも当てはまります。(ここでは表示されません)、以前の実験で我々 はまたプロセスの最終的な変換が 95% 以上が、吸収剤の吸収なし約 20% であることを示した。

反応速度変化なしでより吸収と温度とはるかに少ない。これを図 6、再び時間全圧27としてアンモニア合成を報告するに示します。60 ° C で反応温度を変更して反応速度にはほとんど影響を します。これは、図 4とほとんど大きさの順序の反作用率の変更で初期料金と対照的します。図 4図 6の結果が化学反応速度論は、もはや全体的な率に責任がある唯一のステップ、逆の反応の効果が減ったので異なる。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1。 パイロット プラント起動

    空気乾燥機、空気圧縮機、窒素 窒素生産システム
    1. ターン
    2. ジェネレーター。少なくとも 800 kPa 空気圧縮機タンク内の空気があることを確認します。0.004% (40 ppm) 酸素窒素で以上があるまで、これはバッファー タンクに窒素を送信し続ける
    3. オンに窒素ガスのブースター。気体ブースター 17 MPa の高圧力下での窒素供給タンクを埋めるために開始します
  1. 水素製造システム
    1. 、チラー、水の脱イオン化ユニット、この電解槽をオンにします。電解槽の開始を知らせるためにガス抜きの負圧を測定するフロー センサーがあるので、この電解槽はガス抜きシステムがなければ動作しません。0.54 キロ/h の速度で水素が発生し、吐出圧力 1.5 MPa になります
    2. オン水素気体ブースター。チラーは運用冷却液が流れることを確認します。水素供給タンクは最大 17 MPa 塗りつぶされます
  2. アンモニア スキッド スタートアップ
    1. 次のように制御室のコンピューターを使用して:
      1. 建物の非常口を確認してください
      2. 、建物内の酸素、水素、アンモニア濃度、未満 20%、19 ppm と 35 ppm、それぞれを確認してください
      3. 17 mpa 水素と窒素の供給タンクが充電されていることを確認します
      4. アンモニア サンプラーと重量タンクのバルブをバイパスすることを確認してください
      5. スキッドを設定することにより窒素とスキッドの加圧 ' 2.5 mpa s 窒素入口レギュレータ。300 psi まで窒素の圧力調整器を設定し、開いているし窒素バイパス バルブ 300 psi に窒素でスキッドを埋めるため。その圧力に達したとき、窒素バルブを閉じます。1,200 psi に水素を定期的に設定し、1,200 psi にスキッドを許可する水素バルブを開きます。水素バイパス バルブを閉じます
      6. 水素のインレット バルブを開き、スキッドを設定 ' s 10 MPa 水素入口レギュレータ
      7. NH 3 圧力レギュレータを 1 MPa に設定します
      8. ソフトウェアを制御する GUI を使用して複数のバイパス バルブ、スキッド、コンプレッサー、空気バルブを開く/閉じる
      9. 数 N 2 の比率 1:3 でスキッドが送られることを確認する PID コント ローラーを有効にするソフトウェアを制御する GUI を使用: H 2.
      10. コントロール ルームおよびソフトウェアを制御するマスターの GUI を使用して、開始、スキッド。コンプレッサーは、スキッドにガスを循環させるし、新鮮なエサを注入を開始します
      11. GUI ソフトウェアを制御するは、反応、凝縮温度を設定します。原子炉や復水器の温度、それぞれ 440 ° C、-25 ° C に設定します
        。 注: それは、設定温度になるし、定常状態の条件を達成するために原子炉の 4 日前までかかります

2。実験装置のスタートアップ

  1. 炉準備と削減
    1. 重量 3 g 予備還元の触媒。1 mm 以下のモルタルと乳棒を使用して触媒粒子の粒子サイズを削減します
    2. チューブで 0.25 に触媒をロードし、両側に石英ウールを配置します
    3. PID コント ローラーを使用し、適切な傾斜路と反応温度 (400 ° C) に原子炉温度上昇中に流れる水素流量毎分 (SCCM) 500 の標準的な立方センチメートルが付いているリアクターを。(表 1 に要約) ランプを使用します
      。 注: 温度上昇は適切な触媒活性を得るために非常に滑らかなする必要があります
    4. は、24 時間空気や不純物と接触しない触媒確保の削減プロセスを続行します。常に窒素の毛布の下原子炉
  2. 吸収準備
    1. 吸収に CaCl 2 吸収の 80 g を読み込む (ID: 2.3 センチメートル、長さ: 30 cm)。吸収性の大小によると異なる吸収梱包サポートが充填層を固定化するために、吸収体の両側に使用されます
    2. 、任意の湿度を削除する 350 ° C に電波吸収体の温度を増加しながら 24 時間の 200 SCCM の流量で流れる窒素
  3. 開始反応分離テスト
    1. 400 ° C と 180 ° C に原子炉と電波吸収体の温度がそれぞれ増加しています
      。 注: は、原子炉の温度上昇を適切な温度の傾斜路を使用します。温度コントロールをスムーズにするためには、トランスフォーマーを使用します。窒素の毛布の下でアイドル モードでシステムを維持します。開始する前にすべてのテスト、数回、5 mpa 窒素システムを充電および圧力を離します
    2. 水素および窒素の質量流量コント ローラーを制御するための GUI を使用します
    3. 窒素と水素、1:3 の比率にターゲットの圧力装置を充電します
    4. ターゲット圧力が達成されれば入口バルブを閉じます、炉出口バルブを開き、再循環ポンプをオンに。発熱反応と吸のため原子炉と電波吸収体の温度はプロセスの初めより注意深い制御を必要があります
    5. 起動時、吸収体が画期的なポイントまで 5 時間のテストを続行します
  4. アンモニアの脱
    1. 入口と出口のバルブを開きます
    2. システム ' s 圧力を大気圧と、吸収体の温度が上昇中に流れる窒素吸収性材料からアンモニアを脱着し 5 時間 100 SCCM の流量と

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

モリス、ミネソタ州のパイロット プラントは、図 1に示すように、ローカルのアンモニア製造18風を使用しての可能性を実証しています。風をそれぞれ窒素と空気の圧力振動吸収と水の電気分解により水素に使用する電気を生成します。原子炉では、従来の触媒を使って、アンモニア、窒素および水素ガスを組み合わせています。アンモニアは、コンデンサーを使用して区切られています。

ここで説明したメソッドには、未反応の水素と窒素をリサイクルするプロセスが含まれています。全体の手順は、充填層の吸収体でコンデンサーを交換を除いて図 3、従来プロセスに示すに似ています。内装材は、塩化マグネシウム、塩化カルシウムと主に作られています。低変換で、このシステムによって示される初期の反応速度は、図 4に示すように多くの以前の研究と一致しています。システムの圧力損失はアンモニア生産率に比例します。このレートは、図 5に示すように方が大きくなることがなくより吸収です。また、吸収、反応速度は温度 (図 6) とはるかに少ないをによって異なります。吸収、60 ° C の温度変化は、反応速度にはほとんど影響初期反応速度 (図 4) がほぼ大きさの順序の変更を示す間。

温度とここで使用される圧力、純粋な ammines は安定ではありません。与えられた流れの繰り返された使用 (図 7) 後ベッドに吸収されるアンモニアの量が減少します。吸収液の安定化の能力を改善することができます。図 8に示されているように、この安定性の多くのサイクルはトラップ小マグネシウム塩化物結晶アルミナの亀裂によって実現できます。吸収しさらなる改善は、現在検討されています。

図 9に示すように吸収、化学および吸収動態が少ないアンモニア生産を制限することができます。無限ポンプ流量でインターセプトには反応および吸収の抵抗が含まれます。この逆数が小さい、化学反応値が大きいです。料金の値上げに対応する高いポンプ フロー無限のポンプ流量が有限の限界速度を推定できます。

Figure 1
図 1。小規模プラントこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2。小規模プラントの概略図この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3。吸収プロセスこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4。初期の反応速度しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5。変換吸収による分離とこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 6
図 6。吸収反応この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 7
図 7。現在の吸収が制限しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 8
図 8。吸収剤の顕微鏡写真ですこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 9
図 9。リサイクル フロー反応この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

ピーク温度 (° C) Max。上昇温度 (° C/h) 率 (H) の手順を加熱時間 時間 (h)
アンビエント-340 40 8 8
340-370 15-20 2 10
370-400 10-5 月 5 15
400-430 0-5 28 43
430 470 5 8 51
450 (° C) 4 h の入口温度を保持します。

n ページ =「1」>テーブル 1。温度ランプ使用して触媒をアクティブにします

2014/07/14 2014/09/02 2014/09/17 2014/10/29 2015/01/09
原子炉 T 569 575 563 565 557
圧力 p 112 72 124 117 128
コンデンサー T 404 365 425 413 420
反応 9 3 17 14 30
結露 0.019 0.012 0.021 0.02 0.022
リサイクル 0.004 0.005 0.004 0.003 0.003

表 2。パイロット プラントの操作から典型的な率のデータです。
反応、凝縮そしてリサイクルのための時間を示す化学反応速度が最大の時間を持つことと、それゆえ最も遅い率。単位: T (° C)、p (バー)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

反応吸収実験装置の重要なステップ:

窒素と水素のシステムに不純物がないことを確認します。吸収性材料は、サイクルごとに変更されます。ほとんどの場合、高温でアンモニアの存在下で吸収性材料はヒューズし、大規模な固体コンクリートを形成します。各金属のハロゲン化物およびアンミン複雑な熱力学的性質によると吸収および脱離のための適切な温度を採用する必要があります。各テストの前に(吸収体、原子炉、チューブ、バルブ、継手等)システム内の圧力降下をチェックする必要があります、システム全体が値下がりしました再循環ループや電波吸収体、原子炉には大きい圧力ない課しているかどうかを確認します。

制限事項: 最高の吸収剤知られている今安定しています。

アンミン吸収剤がアンモニアを分離するために使用がある大規模な潜在的な能力、カルシウムのモルあたりアンモニアの限り 6 モル。この吸収は、固体内拡散によって制御され、それ故に周囲のガスの拡散よりも遅いです。高温高圧合成炉でそれはより小さい容量を持っているように表面吸着によって収集も、通常量以上を吸収。

ただし、吸収剤、塩化マグネシウムは特に、安定した28ではありません。結果として、充填実験で画期的な曲線は、図 7に示すように、再現可能なないです。この図は、塩化マグネシウムの粒子充填層を流れるアンモニア態窒素混合物の破過曲線を報告します。予想通り、ベッドは、アンモニアを吸収するが、ベッドが繰り返し使用されるように与えられた流れの吸収量は落ちます。同時にベッドで固体は単一コンクリートのマスに自由に流れる粉から変更します。この融合吸収はるかに遅い速度になります。これを克服するためにサポートする塩化マグネシウムの小さな結晶アルミナ充填層を作りました。このようなベッドはどうやら小さな塩化物結晶アルミナ亀裂内に閉じ込められたし、 8 図28に示すように安定化、安定した画期的な曲線を示します。吸収液のさらなる向上、アクティブな研究の焦点のままです。

法の意義: 今未反応ガスのリサイクルを制御します。

制御手順は今、主に未反応ガスのリサイクル率図 9に示すように。この図は、ポンプ流量の逆数と圧力変化の逆数がプロットされます。圧力の変化は、もちろん、図 5図 6を用いて反応の同時測定: 化学反応の大きな値に対応してこの逆数の値が小さい。ポンプの流量、x 軸上の逆数は、単にポンプ フロー アプローチ無限として何が起こるかを調べるための便利な方法です。見ることができる率はより高いポンプ フローで増大し、無限のポンプ流量の上限に外挿法で推定します。この制限は、逆反応または分離の制約なし進む反応速度最速の反応速度可能に近いです。このラインの斜面は、未反応ガスをリサイクルの効果を測定します。

上記の結果は大幅に低い圧力でアンモニアの強化された生産のため反応吸収プロセスの実行可能性を確認します。たとえば、測定の 1 セットで 80% 以上を用いて相対高速アンモニア合成率に変換。25 バーとして、低圧で高生産率が実行可能なアンモニアが効率的にシステムから削除されることが示唆されました。吸収は、反応環境から合成アンモニアを分離し、逆の反応を誘導します。

現在パイロット プラント、吸収研究データ表示時間当たり合成モグラ アンモニアの反応速度を 3 で割り、真のアンモニア濃度マイナス平衡でシステムのアンモニア濃度に等しいこと特徴的な回。これらの時代の最初の反応の時間、2 番目は分離の時間、3 番目はリサイクルのための時間。これらの時間の例を表 1、部分的なアンモニア濃度によって吸収のステップがあります。現時点では、反応時間は、既存のパイロット工場の生産性は、化学反応によって制御されます、最大、です。温度を上げることで反応速度が向上します。我々 はこれをやっているし、植物はよく実行しています。

将来のアプリケーションと方向:

パイロット プロセスおよび吸収プロセスの両方のデータは、3 つの特徴的な回で割った濃度差の観点から分析できます。具体的には、
Equation
CC *が実際に存在の窒素濃度と平衡でそれぞれ提示し、 τrxn τ9 月、およびτごみは、反応の時間分離・ リサイクル、それぞれ。小さな植物と我々 の初期速度測定では、反応時間は最大、つまり、遅いです。それは全体的な率を制御します。したがって、我々 は高温でパイロット プラントを実行するしようとしています。

しかし、当社の吸収過程で平衡C *で、濃度は吸収のためのゼロに近いです。また、反応および吸収不飽和ベッドの時、リサイクルの時よりやや小さい。したがって、リサイクル フローの逆数と逆反応の速度のプロット与える必要があります直線約そのような図 9に。このラインの斜面はリサイクル フローに対応する必要があります、切片は化学率と吸収率の任意の貢献を表します。私たちの予備的なデータは、この予測をサポートし、私たちの合成することができますさらに改善方法を提案します。

これらの結果は予備的な彼らはまだ減圧下でアンモニアを製造している小さく、効率的なプロセスのデザインについての憶測を許可します。これは明らかに効率的な吸収に依存します。まで実験、吸収液の吸収率に着目したない、それゆえ物理ジオメトリに。我々 は、このジオメトリが常に炉の条件下で不安定とそれ故に継続的な開発のための主要な領域を表しますを発見しました。我々 もない wor があります。必要な吸収量について ried: より吸収を取得する我々 は単により多くの吸収を使用しています。さらに、我々 が吸収性の有効期間について心配していません。我々 は、罰金を形成することによって両方使用頻繁吸水劣化し、によって外見上示す減少表面積を指摘しています。吸着剤と制振設計の両方を扱うこれらの問題のすべてはこのプロセスの可能性をさらに明確に解決する必要があります。ただし、現時点では、予後は良いです。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

ミネソタ州リソースと MNDRIVE のイニシアチブによって立法市民委員会をお勧めしますこの作品の主に、ARPA-E、ミネソタ州環境と天然資源信託基金によるエネルギーの米国部門の一部のサポートは、ミネソタの大学。追加のサポートは、ドレフュス財団から来た。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., Winiwarter, W. How a century of ammonia synthesis changed the world. Nat Geosci. 1, (10), 636-639 (2008).
  2. Vojvodic, A., Medford, A. J., et al. Exploring the limits: A low-pressure, low-temperature Haber-Bosch process. Chem Phys Lett. 598, 108-112 (2014).
  3. Jennings, J. R. Catalytic Ammonia Synthesis. Springer Science and Business Media. Plenum Press. (1991).
  4. Apodaca, L. E. Nitrogen (Fixed) - Ammonia. Available from: https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf (2016).
  5. IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Available from: http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/ (2014).
  6. Gielen, D. Tracking Industrial Energy Efficiency and CO2 Emissions - Organization for Economic Co-operation and Development. Available from: http://www.iea.org/w/bookshop/pricing.html (2007).
  7. Worrell, E., Phylipsen, D., Einstein, D., Martin, N. LBNL-44314 Energy Use and Energy Intensity of the U.S. Chemical Industry. Available from: http://ateam.lbl.gov/PUBS/doc/LBNL-44314.pdf (2000).
  8. Wojcik, A., Middleton, H., Damopoulos, I., Van herle, J. Ammonia as a fuel in solid oxide fuel cells. J Power Sources. 118, (1-2), 342-348 (2003).
  9. Zamfirescu, C., Dincer, I. Using ammonia as a sustainable fuel. J Power Sources. 185, (1), 459-465 (2008).
  10. Christensen, C. H., Johannessen, T., Sørensen, R. Z., Nørskov, J. K. Towards an ammonia-mediated hydrogen economy? Catalysis Today. 111, (1-2), 140-144 (2006).
  11. Hummelshøj, J. S., et al. reversible high-density hydrogen storage in compact metal ammine salts. J Am Chem Soc. 130, (27), 8660-8668 (2008).
  12. Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C. Ammonia-fed solid oxide fuel cells for power generation-A review. Int J Energy Res. 33, (11), 943-959 (2009).
  13. Zamfirescu, C., Dincer, I. Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications. Fuel Process Technol. 90, (5), 729-737 (2009).
  14. Ertl, G. Surface Science and Catalysis-Studies on the Mechanism of Ammonia Synthesis: The P. H. Emmett Award Address. Catal Rev. 21, (2), 201-223 (2006).
  15. Nielsen, A., Kjaer, J., Bennie, H. Rate equation and mechanism of ammonia synthesis at industrial conditions. J Catal. 3, (1), 68-79 (1964).
  16. U.S. Department of Energy. DE-FOA-0001569 Sustainable Ammonia Synthesis. Available from: https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf (2016).
  17. Chen, J., Miranda, R., Fitzsimmons, T., Stack, R. Sustainable Ammonia Synthesis - Exploring the scientific challenges associated with discovering alternative, sustainable processes for ammonia production. DOE Roundtable Report. Available from: https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf (2016).
  18. Reese, M., Marquart, C., et al. Performance of a Small-Scale Haber Process. Ind Eng Chem Res. 55, (13), 3742-3750 (2016).
  19. Schlögl, R. Catalytic Synthesis of Ammonia-A "Never-Ending Story". Ange Chemie Int Ed. 42, (18), 2004-2008 (2003).
  20. Dyson, D. C., Simon, J. M. Kinetic Expression with Diffusion Correction for Ammonia Synthesis on Industrial Catalyst. Ind Eng Chem Fund. 7, (4), 605-610 (1968).
  21. Temkin, M., Pyzhev, V. Kinetics of ammonia synthesis on promoted catalysts. Acta Physiochim USSR. 12, 327-356 (1940).
  22. Annable, D. Application of the Temkin kinetic equation to ammonia synthesis in large-scale reactors. Chem Eng Sci. 1, (4), 145-154 (1952).
  23. Guacci, U., Traina, F., Ferraris, G. B., Barisone, R. On the Application of the Temkin Equation in the Evaluation of Catalysts for the Ammonia Synthesis. Ind Eng Chem Prod DD. 16, (2), 166-176 (1977).
  24. Hummelshøj, J. S., Sørensen, R. Z., Kustova, M. Y., Johannessen, T., Nørskov, J. K., Christensen, C. H. Generation of nanopores during desorption of NH3 from Mg(NH3)6Cl2. J Am Chem Soc. 128, (1), 16-17 (2006).
  25. Huberty, M. S., Wagner, A. L., McCormick, A., Cussler, E. Ammonia absorption at haber process conditions. AIChE Journal. 58, (11), 3526-3532 (2012).
  26. Himstedt, H. H., Huberty, M. S., McCormick, A. V., Schmidt, L. D., Cussler, E. L. Ammonia synthesis enhanced by magnesium chloride absorption. AIChE Journal. 61, (4), 1364-1371 (2015).
  27. Malmali, M., Wei, Y., McCormick, A., Cussler, E. L. Ammonia Synthesis at Reduced Pressure via Reactive Separation. Ind Eng Chem Res. 55, (33), 8922-8932 (2016).
  28. Wagner, K., Malmali, M., et al. Column absorption for reproducible cyclic separation in small scale ammonia synthesis. AIChE Journal. (2017).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics