Synteza amoniaku pod niskim ciśnieniem

Ogólnym celem tej procedury jest produkcja amoniaku z powietrza, wody i energii wiatrowej w procesie niskociśnieniowym przy znikomej emisji dwutlenku węgla. Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów związanych z produkcją amoniaku, takich jak wydajność reakcji, dystrybucja produktu i emisja dwutlenku węgla. W procesie wykorzystuje się stały absorbent wybrany przez amoniak, a nie skraplacz.

Ciągłe usuwanie amoniaku z układu zmniejsza występowanie odwrotnej reakcji chemicznej. Główną zaletą tego procesu jest to, że można go wykonywać przy niższym ciśnieniu, co jest bezpieczniejsze i tańsze. Cory Marquart i ja prowadzimy instalację do konwencjonalnego procesu, która jest 30 000 razy mniejsza niż typowe instalacje.

Daje to standard do porównania z procesem absorpcyjnym. Mike Reese i Cory Marquart prowadzą konwencjonalną małą fabrykę w Morris w stanie Minnesota. Proces oparty na absorpcji zademonstruje Mahdi Malmali, doktor habilitowany związany z naszym laboratorium.

Przed rozpoczęciem procesu należy uruchomić instalację do wytwarzania amoniaku i zwiększyć temperaturę reaktora katalitycznego do 440 stopni Celsjusza. Ustaw temperaturę skraplacza na minus 18 stopni Celsjusza. Następnie włącz osuszacz powietrza, sprężarkę powietrza i generator azotu.

Włącz wzmacniacz azotu gazowego, aby napełnić zbiorniki doprowadzające azot. Włącz agregat chłodniczy, jednostkę dejonizacji wody, elektrolizer i wzmacniacz wodoru gazowego. Sprawdź, czy agregat chłodniczy jest sprawny i czy przepływa przez niego płyn chłodzący.

Następnie ustaw regulator dopływu azotu na 300 PSI. Otwórz zawór azotu, aby rozpocząć zwiększanie ciśnienia w płozie procesowej. Zamknij zawór obejściowy azotu, gdy płoza osiągnie 300 PSI.

Następnie ustaw regulator dopływu wodoru na 1 200 PSI i otwórz zawór wodoru. Gdy płoza osiągnie 1 200 PSI, zamknij zawór wodoru. Uruchom płozę, aby rozpocząć cykliczne przepuszczanie przez system mieszaniny od jednego do trzech gazowych azotów i wodorów.

Po zakończeniu procesu przechowuj skondensowany amoniak w temperaturze 150 PSI. Aby przygotować reaktor, użyj moździerza i tłuczka, aby zmielić cząstki katalizatora do wielkości mniejszej niż jeden milimetr. Zapakuj zmielony katalizator w rurkę 0.25 cala.

Aby przygotować absorber, należy zapakować 80 gramów chlorku wapnia lub równoważną ilość innego selektywnego absorbentu amoniaku do 30-centymetrowej kolumny o średnicy wewnętrznej 2,3 centymetra. Zatkać końce kolumny wystarczającym materiałem podporowym uszczelnienia, aby unieruchomić absorbent. Zamontować absorber i reaktor w aparaturze doświadczalnej.

Podgrzej reaktor do 450 stopni Celsjusza, stosując zalecaną procedurę temperatury aktywacji, przepływając wodór przez reaktor z prędkością 500 SCCM, aby zakończyć aktywację katalizatora. Aktywowany katalizator należy przechowywać pod kocem z ultraczystego azotu, gdy system jest bezczynny. Aby rozpocząć proces wytwarzania amoniaku, zamknij zawór wylotowy i zwiększ temperaturę reaktora do 400 stopni Celsjusza, a absorbera do 180 stopni Celsjusza.

Przepłucz system ultraczystym azotem gazowym, wielokrotnie zwiększając ciśnienie i odpowietrzając system. Następnie należy zwiększyć ciśnienie w układzie za pomocą mieszaniny azotu i wodoru w proporcji jeden do trzech. Zatrzymaj regulatory przepływu masowego azotu i wodoru.

Zamknij zawór wlotowy reaktora. Otwórz zawór wylotowy reaktora i uruchom pompę recyrkulacyjną. Monitoruj temperaturę reaktora i absorbera w momencie rozpoczęcia reakcji i dostosuj je w razie potrzeby, aby skompensować procesy egzotermiczne

Uruchom proces przez pięć godzin lub do momentu, gdy absorber zacznie się przebijać, na co wskazuje spadek zmiany ciśnienia w układzie w czasie. Otwórz zawór wlotowy azotu i zawór wylotowy amoniaku i zmniejsz ciśnienie atmosferyczne w układzie. Przepuść azot przez system z prędkością 100 SCCM, ogrzewając absorber przez pięć godzin, aby uwolnić amoniak.

Wysokie ciśnienia stosowane w metodzie konwencjonalnej są niezbędne, aby sprzyjać reakcji postępowej w wysokich temperaturach. W metodzie separacji niskociśnieniowej amoniak jest dokładniej oddzielany, zanim będzie mógł ulec odwrotnej reakcji. Zaobserwowano istotny wzrost współczynnika konwersji w stosunku do metody konwencjonalnej.

Początkowe szybkości reakcji metody rozdzielania były zgodne z opublikowanymi wartościami i oddzielnymi eksperymentami kinetyki chemicznej. Zaobserwowano zmienność temperatury w początkowych szybkościach reakcji metodą absorpcji reakcji. Ogólna szybkość reakcji wykazała znacznie mniejszą zależność od temperatury, co wskazuje, że szybkość reakcji katalitycznej nie jest głównym czynnikiem ograniczającym szybkość konwersji w metodzie rozdzielania.

Absorbent skutecznie usuwał amoniak z układu, ale pojemność kolumny zmniejszała się po każdym cyklu. Trwają badania nad przedłużeniem żywotności kolumny absorpcyjnej. Nie stwierdzono, aby kinetyka absorpcji była istotnym czynnikiem ograniczającym produkcję amoniaku.

Stwierdzono, że natężenie przepływu recyrkulacji koreluje z szybkością reakcji, co wskazuje, że jest to podstawowy etap sterowania procesem. Proces ten może wytwarzać amoniak z powietrza, wody i wiatru. Powietrze i woda są źródłami azotu i wodoru odpowiednio poprzez absorpcję zmiennociśnieniową i elektrolizę.

Energia potrzebna do tego procesu pochodzi z wiatru. Proces Habera-Boscha to stuletnia reakcja, która karmi dużą część światowej populacji. Próba jego ulepszenia wiąże się z dużym ryzykiem i potencjalnie wysoką nagrodą.

Naszym pierwotnym pomysłem na tę pracę było sprawienie, aby rodzinne gospodarstwa rolne na obszarach wiejskich w Minnesocie były bardziej samowystarczalne pod względem nawozów azotowych. Obietnica paliwa dla miast, w których brakuje energii, poprzez magazynowanie energii wiatrowej w postaci ciekłego amoniaku, okazała się nieoczekiwanym zyskiem. Kluczem do procesu opartego na absorpcji jest opracowanie stabilnego absorbentu wielokrotnego użytku, który skutecznie zatrzymuje amoniak podczas jego produkcji.

Zastępując konwencjonalny skraplacz złożem absorpcyjnym, zbliżamy się do tańszego i bezpieczniejszego procesu wytwarzania amoniaku, odpowiedniego do produkcji na małą skalę.