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“绿化”棕色氨不再看起来像管道梦想

经过|3月10日,2021年

哈伯-博世生产氨的最新进展增加了转换超过当前工业过程中允许的最大限度。

我们生活在一个高度依赖于Haber-Bosch过程的世界,其中氮和氢用于产生氨。它是一种工业规模的人造氮固定方法,可提供来自惰性和丰富的二氮气常压分子的化学和生物可用的氮化合物。

哈伯-博世工艺每年生产1.44亿公吨氨,其中大部分用于通过氮基肥料在生物体内积累元素氮。生物体内蛋白质和核酸中多达一半的氮含量都来源于这一过程。哈伯-博世的工艺也能促进诸如药品、染料、纤维和炸药等基本产品的生产。除了这些具有代表性的终端用途外,氨还被设想为可持续经济的无碳可再生能源载体。

挑战是“绿化”的能源密集型“棕色”哈默 - 博世工艺,这消耗了世界总能源总量的1-2%,导致全球每年的1%以上2排放。即使在500°C和250 atm的恶劣工作条件下,N2- h2合成气制氨仅占20%。

一个多世纪以来,人们一直追求更温和的反应条件和更高的效率。许多研究集中在开发在较低温度下可用的活性催化剂上。这是受到一个热力学范例的启发,较低的温度有利于NH的正向产生3.同时抑制后向NH3.分解为放热的N2+ 3 h2= NH.3.平衡反应。

在Haber-Bosch氨合成中使用串联Cs/Ru/CeO超越了热力学平衡转换极限2催化剂和mncl.2/ SiO.2吸收剂

最近的提前通过将氨分离单元放置在催化剂之后将氨分离单元提高到当前工业过程中允许的最大值之外的氨分离单元,图1.在热力学反应平衡限制上追踪该最大值,结果是NH之间的权衡3.生产和NH3.分解。任何NH.3.高于平衡值的产量将被分解回N2和H2

其核心思想简单而优雅:吸收催化反应过程中产生的氨,减少未反应的氮2- h2加入需要回收的气体。通过用吸收催化反应器更换Haber-Bosch工艺中的常规冷凝器,如图1所示,这一创作的创意已经减少了实践。反应器构型基于固定床流动反应器中的隔离催化剂吸收层。

传统的冷凝器,在工业哈伯-博世工艺的合成回路之后,冷却排出气体,分离液氨,并回收未反应的N2- h2通过合成回路加气;既是否的转换2- h2SYN气体和流出物NH3.浓度受到施加的热力学平衡的限制2+ 3 h2«23.反应。

相比之下,在创新的氨吸收分离过程中,氨产品的浓度为n2+ 3 h2«23.反应减少,促进了根据Le Chatelier的原则的前进反应。该原理的效果可以通过由管道连接的两个水箱组成的模型来理解,一个坦克标记为“n”2+ 3 h2“另一个标签为”2nh3.“。两个罐的量高度最初是相同的(反应的热力学平衡),但是当一些水从“2NH”中取出时3.水箱(通过吸收氨产品),水从“N2+ 3 h2“坦克将在其中流动(迫使向前反应)。这使反应转化率提高了一倍,平衡极限几乎提高了一倍,尽管出水含氨3.浓度仍然是平衡的。

这个多层催化剂和吸附剂体系的另一个有趣的特点是Cs/Ru/CeO的最佳性能温度的降低2系统约380°C至340°C;虽然值得注意,但这仍然很高。通过温度易于调谐集成吸收催化系统的性能2:H2比率,并获得各种催化剂和吸收剂。对于实现这一新技术的挑战仍然存在,因为HABER-BOSCH过程的操作原则可能需要重新想象。

人们可以预见MNCl的氨的吸收2/ SiO.2达到饱和容量,这将使这项技术与稳态运行不兼容。如果在操作过程中可以定期应用程序控制的温度变化,那么低温和高转化率的氨合成就可能实现。例如,高温触发快速氨释放可以使吸收剂再生,回收合成氨。一个非线性NH3.为了实现这一想法,需要采用脱附-温度法,这可能值得进一步研究。

随着未来十年不可再生能源向可再生能源的转变,这种新技术可以电气化并集成到模块化的哈伯-博世单元中,用于分布式使用,例如在可持续农场中。气态氢可以通过水电解生产,传统的Haber-Bosch的整体碳足迹可以减少约80%,降低反应温度和压力,使可再生的Haber-Bosch氨合成厂的整体能源效率更高。

“绿化”棕色Haber-Bosch不再看起来像一个管道梦想。

写道:成梁毛和杰弗里Ozin

太阳能燃料集团,多伦多大学,电子邮件:g.ozin@utoronto.ca.网站:www.solarfuels。toronto.ca

参考:Collin Smith,Laura Torrente-Murciano,超越单通平平衡,使用可再生能源 - 重新定义Haber-Bosch Loop的氨合成的集成吸收分离《先进能源材料(2021)》DOI: 10.1002/aenm.202003845