Name: ammonia synthesis at low pressure
Uploaded: 2017-08-23T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Ammonia Synthesis at Low Pressure at JoVE.com

Detta arbete stöddes främst av ARPA-E, en del av oss Department of Energy, av Minnesota miljö- och naturresurser Trust Fund, som rekommenderas lagstiftnings-medborgare kommissionen på Minnesota resurser, och genom MNDRIVE, ett initiativ av den University of Minnesota. Ytterligare stöd kom från stiftelsen Dreyfus.

1. pilot anläggningens start <ol><li>kväve produktionssystemet <ol><li>tur på tryckluftstorken, luftkompressorn och kvävet generator. Kontrollera att det finns minst 800 kPa från luften i kompressorn lufttank. Detta håller skicka kväve till bufferttank tills det är inte mer än 0,004% (40 ppm) syre i kvävet.</li>
		<li>Aktivera kvävet gas booster. Den gas boostern börjar fylla kväve tillförsel tankarna, vid tryck så hög som 17 MPa.</li>
	</ol></li> <li>Väte produktionssystemet<...

<ol>
	<li>Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., Winiwarter, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+a+century+of+ammonia+synthesis+changed+the+world.">How a century of ammonia synthesis changed the world.</a> Nat Geosci. 1 (10), 636-639 (2008).</li><li>Vojvodic, A., Medford, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+the+limits:+A+low-pressure,+low-temperature+Haber-Bosch+process.">Exploring the limits: A low-pressure, low-temperature Haber-Bosch process.</a> Chem Phys Lett. 598, 108-112 (2014).</li><li>Jennings, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Catalytic Ammonia Synthesis. , (1991).</li><li>. Nitrogen (Fixed) - Ammonia Available from: <a target="_blank" href="https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf">https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/mcs-2016-nitro.pdf</a> (2016)</li><li>Wojcik, A., Middleton, H., Damopoulos, I., Van herle, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonia+as+a+fuel+in+solid+oxide+fuel+cells.">Ammonia as a fuel in solid oxide fuel cells.</a> J Power Sources. 118 (1-2), 342-348 (2003).</li><li>Zamfirescu, C., Dincer, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+ammonia+as+a+sustainable+fuel.">Using ammonia as a sustainable fuel.</a> J Power Sources. 185 (1), 459-465 (2008).</li><li>Christensen, C. H., Johannessen, T., S&#248;rensen, R. Z., N&#248;rskov, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+an+ammonia-mediated+hydrogen+economy?.">Towards an ammonia-mediated hydrogen economy?.</a> Catalysis Today. 111 (1-2), 140-144 (2006).</li><li>Hummelsh&#248;j, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=reversible+high-density+hydrogen+storage+in+compact+metal+ammine+salts.">reversible high-density hydrogen storage in compact metal ammine salts.</a> J Am Chem Soc. 130 (27), 8660-8668 (2008).</li><li>Ni, M., Leung, M. K. H., Leung, D. Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonia-fed+solid+oxide+fuel+cells+for+power+generation-A+review.">Ammonia-fed solid oxide fuel cells for power generation-A review.</a> Int J Energy Res. 33 (11), 943-959 (2009).</li><li>Zamfirescu, C., Dincer, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonia+as+a+green+fuel+and+hydrogen+source+for+vehicular+applications.">Ammonia as a green fuel and hydrogen source for vehicular applications.</a> Fuel Process Technol. 90 (5), 729-737 (2009).</li><li>Ertl, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+Science+and+Catalysis-Studies+on+the+Mechanism+of+Ammonia+Synthesis:+The+P.+H.+Emmett+Award+Address.">Surface Science and Catalysis-Studies on the Mechanism of Ammonia Synthesis: The P. H. Emmett Award Address.</a> Catal Rev. 21 (2), 201-223 (2006).</li><li>Nielsen, A., Kjaer, J., Bennie, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rate+equation+and+mechanism+of+ammonia+synthesis+at+industrial+conditions.">Rate equation and mechanism of ammonia synthesis at industrial conditions.</a> J Catal. 3 (1), 68-79 (1964).</li><li>. DE-FOA-0001569 Sustainable Ammonia Synthesis Available from: <a target="_blank" href="https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf">https://science.energy.gov/~/media/grants/pdf/foas/2016/SC_FOA_0001569.pdf</a> (2016)</li><li>Sustainable Ammonia Synthesis - Exploring the scientific challenges associated with discovering alternative, sustainable processes for ammonia production. DOE Roundtable Report Available from: <a target="_blank" href="https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf">https://science.energy.gov/~/media/bes/pdf/reports/2016/SustainableAmmoniaReport.pdf</a> (2016)</li><li>Reese, M., Marquart, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+a+Small-Scale+Haber+Process.">Performance of a Small-Scale Haber Process.</a> Ind Eng Chem Res. 55 (13), 3742-3750 (2016).</li><li>Schl&#246;gl, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Catalytic+Synthesis+of+Ammonia-A+"Never-Ending+Story".">Catalytic Synthesis of Ammonia-A "Never-Ending Story".</a> Ange Chemie Int Ed. 42 (18), 2004-2008 (2003).</li><li>Dyson, D. C., Simon, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetic+Expression+with+Diffusion+Correction+for+Ammonia+Synthesis+on+Industrial+Catalyst.">Kinetic Expression with Diffusion Correction for Ammonia Synthesis on Industrial Catalyst.</a> Ind Eng Chem Fund. 7 (4), 605-610 (1968).</li><li>Temkin, M., Pyzhev, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+ammonia+synthesis+on+promoted+catalysts.">Kinetics of ammonia synthesis on promoted catalysts.</a> Acta Physiochim USSR. 12, 327-356 (1940).</li><li>Annable, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+the+Temkin+kinetic+equation+to+ammonia+synthesis+in+large-scale+reactors.">Application of the Temkin kinetic equation to ammonia synthesis in large-scale reactors.</a> Chem Eng Sci. 1 (4), 145-154 (1952).</li><li>Guacci, U., Traina, F., Ferraris, G. B., Barisone, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+Application+of+the+Temkin+Equation+in+the+Evaluation+of+Catalysts+for+the+Ammonia+Synthesis.">On the Application of the Temkin Equation in the Evaluation of Catalysts for the Ammonia Synthesis.</a> Ind Eng Chem Prod DD. 16 (2), 166-176 (1977).</li><li>Hummelsh&#248;j, J. S., S&#248;rensen, R. Z., Kustova, M. Y., Johannessen, T., N&#248;rskov, J. K., Christensen, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+nanopores+during+desorption+of+NH3+from+Mg(NH3)6Cl2.">Generation of nanopores during desorption of NH3 from Mg(NH3)6Cl2.</a> J Am Chem Soc. 128 (1), 16-17 (2006).</li><li>Huberty, M. S., Wagner, A. L., McCormick, A., Cussler, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonia+absorption+at+haber+process+conditions.">Ammonia absorption at haber process conditions.</a> AIChE Journal. 58 (11), 3526-3532 (2012).</li><li>Himstedt, H. H., Huberty, M. S., McCormick, A. V., Schmidt, L. D., Cussler, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonia+synthesis+enhanced+by+magnesium+chloride+absorption.">Ammonia synthesis enhanced by magnesium chloride absorption.</a> AIChE Journal. 61 (4), 1364-1371 (2015).</li><li>Malmali, M., Wei, Y., McCormick, A., Cussler, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ammonia+Synthesis+at+Reduced+Pressure+via+Reactive+Separation.">Ammonia Synthesis at Reduced Pressure via Reactive Separation.</a> Ind Eng Chem Res. 55 (33), 8922-8932 (2016).</li><li>Wagner, K., Malmali, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Column+absorption+for+reproducible+cyclic+separation+in+small+scale+ammonia+synthesis.">Column absorption for reproducible cyclic separation in small scale ammonia synthesis.</a> AIChE Journal. , (2017).</li></ol>

Kritiska steg i reaktion-absorption experimentella apparaten:
Kontrollera att det finns ingen orenhet i systemet för kväve och väte. Absorberande material ändras efter varje cykel. I de flesta fall vid hög temperatur och i närvaro av ammoniak, absorberande material säkring och bilda en stor solid betong. Enligt de termodynamiska egenskaperna hos varje metallhalogenlampor och ammine komplex, ska lämpliga temperaturerna för absorption och desorption vara sysselsatt. Före varje prov, tryck...

Ammoniak är en industrikemikalie som nyckel. Det framställs genom den Haber - Bosch-processen, som är känd som en av de viktigaste nyheterna i den 20: e tals1,2. Ammoniak syntesen utförs i närvaro av heterogena katalysator vid förhöjda temperaturer (&#62; 375 ° C) och tryck (&#62; 100 bar)3. Sådan hög temperatur och tryck kraven gör ammoniak syntes mycket energi - och kapitalintensiv. Ungefär 150 miljoner ton ammoniak produceras varje år4, som står för 1-3% av världens energiförbrukning, 5% av förbrukningen i naturgas, och upp till 3% av klimatpåverkande gas utsläpp5,6, 7.
Ammoniak har två stora potentiella användningsområden. Ammoniak är en syntetisk kväve gödselmedel1. Utan denna gödsel, skulle hälften av den nuvarande befolkningen inte har tillgång till tillräckligt med mat. För det andra, ammoniak kan fungera som en energi vektor, antingen som en kolneutral flytande bränsle eller som en indirekt väte carrier8,9,10,11. Typiskt, förnybara resurser (t.ex. vind) finns i underbefolkade landsbygdsområden, där det kan fångas; denna typ av isolerad vind- och solenergi kallas ”stranded”. I det här fallet konverteras de elektrisk och termisk energierna från förnybara energikällan till energirika koldioxidneutrala flytande ammoniak. Flytande ammoniak produceras kan sedan skickas till tätorter, där det kan användas direkt i ammoniak-baserade bränsleceller12 och förbränningsmotorer motorer13, eller det kan delas upp i vätgas och sedan användas i vätgas bränsleceller eller väte-stationer. Som ett resultat, kan vi flytta vinden av den amerikanska prärien till de trånga stadsområdena i USA
Mest på grund av användningen av gödningsmedel är ammoniak tillverkningen en stor industri. Vid rumstemperatur, ammoniak syntes reaktionen är exoterm och därmed — åtminstone i princip — spontana14, dock uppnå reaktion under omgivningsförhållanden är extremt svårt på grund av den starka kväve-kväve bond 15. för att övervinna detta, Fritz Haber ökänt används för höga temperaturer för att uppnå snabb kinetik, men dessa höga temperaturer innebar att den omvända reaktionen hämmade produktionen. För att minska hämningar av denna omvänd reaktion, används Haber högtryck för att förbättra konvertering. Han genomförde den storskaliga reaktionen i en pistol fat, som fortfarande pryder BASF växten i Ludwigshafen.
Nödvändigheten att använda både hög temperatur och tryck när reaktionen kunde potentiellt köra mycket mer blygsamma villkor har frustrerad kemister för över ett århundrade2. Även efter processen var kommersialiserat, spottas Karl Bosch och en stor kohort vid BASF genom hela periodiska systemet letar bättre katalysatorer. Medan Bosch hade lite framgång, fortsätter sökningen. Även förra året var ett nytt forskningsprogram som syftar till att söka en ny katalysator initierade16,17. Detaljerade kemi av ammoniak syntes är nu förstådda14och om sökandet efter en ny katalysator är framgångsrika, det vore verkligen värt ansträngningen. Dock enligt vår uppfattning minska de tidigare misslyckanden risken för framtida framgång.
I följande text, småskaliga ammoniak syntesprocessen beskrivs, och motivation att undersöka en alternativ process förklaras.
Småskaliga processen:
Vindkraft ammoniak Vi förbättrar den Haber - Bosch-processen för syntetisera ammoniak, söker en mycket mindre, enklare process som kan användas lokalt men producerar försumbara mängder koldioxid. Genomförbarheten av lokala ammoniak tillverkning från wind har redan visats i en pilotanläggning i Morris, MN, och visas i figur 118. Morris sitter på Buffalo Ridge, en formation av sextio miles av böljande kullar i sydvästra hörnet av Minnesota. Åsen har ovanligt stadig, stark vind, rullande över prärien. Som ett resultat, är det ett mecka för vindkraft el.
Med denna El tillverkar vi redan ammoniak från vinden, använder denna växt som är fyrtio tusen gånger mindre än de befintliga kommersiella verksamhet för fossila bränslen. Vissa vind-El används för att göra kväve från luften genom trycket swing adsorption, en etablerad metod för luft separation används, exempelvis för patienter med emfysem som behöver syreberikad luft. Dock mer av el som används för att göra vätgas genom elektrolys av vatten. Dessa gaser kombineras över en konventionell katalysator i processen visas schematiskt i figur 2. Efter reaktionen separeras gaserna genom kylning för att kondensera till flytande ammoniak. Oreagerad gaserna, liksom Okondenserad ammoniaken återvinns.
Detaljer för pilotanläggningen I vår pilotanläggning, University of Minnesota förnybar vätgas och ammoniak Pilot Plant, tillhandahålls elkraft från ett samlokaliseras 1,65 MW vindkraftverk. Pilotanläggningen använder cirka 10% av kraften som genereras, med den återstående effekt som används vid University of Minnesota, Morris campus.
Väte produktionssystemet använder en elektrolysör, en booster kompressor och en termisk kylmaskin. Detta system producerar 0,54 kg vätgas per timme, som är lagrad på 2.400 psi med 24 kWh el. Vatten från en egen brunn renas med hjälp av en omvänd osmos och avjonisering system. Vattnet leds sedan till elektrolysör med en hastighet av upp till 15 L/h. kväve genereras med en kväve-generator, en före Luftkompressor, en luftavfuktare och en booster kompressor. Kvävgas lagras på 2.400 psi använder cirka 6 kWh el.
Syntesen av ammoniak använder en anpassad skid. Den innehåller en kompressor, en reaktor, en kylning kylning slinga och en 20 kW elektrisk värmare. Skid använder cirka 28 kWh el att producera 2,7 kg ammoniak per timme som lagras sedan på 150 psi. Ammoniak produktionen styrs med integrerad PLC och HMI system. De producerade väte och kväve lagras på plats i 18 kväve storage tankar och 54 vätgas lagringstank. Ammoniak är också lagrade på platsen inom 3.100-gallon fartyg.
Vind Generation är dyrt El för denna process görs från vind och så bränslet för att göra ammoniak är gratis, utan att använda alla fossila bränslen. Kapitalkostnaderna för denna pilotanläggning domineras dock av investeringar för vätgas produktion och ammoniak syntes. Verksamheten hittills tyder på att kostnaden för att göra småskaliga ammoniak är ungefär dubbelt så stor som konventionella ammoniak baserad på fossila bränslen. Medan vi fortsätter att optimera vår process, anser vi att småskalig vindkraft genereras ammoniak inte blir konkurrenskraftiga på de nuvarande naturgas priserna. Huvudstaden kostar massa ammoniak gjort kan minskas genom en större konventionella process eller genom en alternativ process som det beskrivs nästa i denna uppsats.
Absorptionen processen:
Absorptionen ökar produktionen Katalysator används för ammoniak syntes varit nästan oförändrad under det senaste århundradet19. Därför har vi genomfört en annan strategi i denna forskning. Vi tillämpa de aktuella katalysator och arbetstemperatur, men absorberar ammoniak vid blygsamma tryck så snart det bildas. Vi återvinner alla oreagerad väte och kväve. Processen är schematiskt gillar som i figur 3, liknar konventionella processen, men med en packad bädd absorbator byta kondensorn.
Inledande reaktionskinetik ändrar inte Experiment med detta system på låg konvertering visar en initiala reaktionshastigheten som överensstämmer med många av de tidiga studierna på detta system3,14,15,20,21 , 22 , 23, som visas i figur 4. Den vänstra panelen visar de ursprungliga skattesatserna, som varierar starkt med temperatur. Medan dessa priser varierar också med tryck, är variationerna mindre, som visas i den högra panelen. I vår nya process, vi använder samma katalysator och liknande driftsförhållanden, men sträva att förbättra ammoniakproduktionen med hjälp av absorption vid ett lägre tryck. Vi hoppas därmed att minska kapitalkostnaderna för ammoniak syntes.
Absorptionen ökar konverteringen I vårt arbete ersatte vi kondensorn i små processen med en packad säng, som är ett cylindriskt kärl fyllt med små partiklar av absorbenten. Vi har betonat absorbermedel primärt av magnesiumklorid och kalciumklorid11,24. Sådana ammine absorbermedel har två effekter. Först, de minskar ammoniakkoncentrationen i de återvunna gaserna till nära noll. För det andra, de effektivt minska tiden för separation till nära noll. Denna strategi är produktiva25,26,27. Till exempel i figur 5visar vi att att göra ammoniak, som är proportionell till den totala tryckminskningen i systemet, är mycket större med absorption än utan. I synnerhet reaktionen vid 90 bar, visas som röda cirklar, är mindre fullständig än reaktionen med absorptionsmedel, visas av de blå trianglar27. Detta gäller även om reaktionen utan absorberande sker vid ett tryck nästan två gånger som reaktion med absorption. I tidigare experiment (visas inte här), visade vi också att eventuell omvandling av processen är ca 20% utan absorberande men över 95% med absorberande.
Reaktionshastigheten varierar mycket mindre med temperatur med absorption än utan. Detta visas i figur 6, som igen rapporterar ammoniak syntes som totalt tryck kontra tid27. Ändra den reaktion temperaturen av 60 ° C har liten effekt på reaktionshastigheten. Detta kontrasterar mot de ursprungliga priserna i figur 4som visar en förändring av reaktionen klassar av nästan en storleksordning. Resultaten i figur 4 och figur 6 är olika eftersom effekten av den omvända reaktionen har minskat, så den kemisk kineticsen inte längre den enda åtgärd som är ansvarig för den totala frekvensen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="632">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Experimental Apparatus</td>
			<td style="width:131px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Magnesium Chloride</td>
			<td style="width:131px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">7786-30-3</td>
			<td>St. Louis, MO</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Calcium Chloride</td>
			<td style="width:131px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">10043-52-4</td>
			<td>St. Louis, MO</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ultra Pure Hydrogen</td>
			<td style="width:131px;">Matheson</td>
			<td>SG PHYF30050</td>
			<td>New Brighton, MN</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ultra Pure Nitrogen</td>
			<td style="width:131px;">Matheson</td>
			<td>SG G1881112</td>
			<td>New Brighton, MN</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Iron Based Catalyst</td>
			<td style="width:131px;">Clariant/Sud Chemie</td>
			<td style="width:119px;">-</td>
			<td>Charlotte, NC</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Variable Piston Pump</td>
			<td style="width:131px;">PumpWorks Inc.</td>
			<td style="width:119px;">PW2070N</td>
			<td>Minneapolis, MN</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Omega Ceramic Heater</td>
			<td style="width:131px;">Omega</td>
			<td style="width:119px;">CRFC-36/115-A</td>
			<td>Stamford, CT</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">PID Controller</td>
			<td style="width:131px;">Omega</td>
			<td style="width:119px;">CN96211TR</td>
			<td>Stamford, CT</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Signal Conditioner</td>
			<td style="width:131px;">Omega</td>
			<td style="width:119px;">DRG-SC-TC</td>
			<td>Stamford, CT</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Pressure Transducer</td>
			<td style="width:131px;">WIKA</td>
			<td style="width:119px;">50426877</td>
			<td>Lawrenceville, Georgia</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Mass Flow Controller</td>
			<td style="width:131px;">Brooks Instruments</td>
			<td style="width:119px;">SLA5850</td>
			<td>Hatefield, PA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Name</td>
			<td style="width:131px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Pilot Plant</td>
			<td style="width:131px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Electrolyzer</td>
			<td style="width:131px;">Proton OnSite</td>
			<td style="width:119px;">H6 Series</td>
			<td>Wallingford, CT</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gas Booster</td>
			<td style="width:131px;">PDC Machine</td>
			<td style="width:119px;">3 2500&#160;</td>
			<td>Warminster, PA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Wind Turbine</td>
			<td style="width:131px;">Vestas</td>
			<td style="width:119px;">V82</td>
			<td>Portland, OR</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Chiller</td>
			<td style="width:131px;">Thermal Care</td>
			<td style="width:119px;">SQ Series</td>
			<td>Niles, IL</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Water Purifier</td>
			<td style="width:131px;">Elga Pure Lab</td>
			<td style="width:119px;">S-15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Nitrogen Generator</td>
			<td style="width:131px;">Innovative Gas System</td>
			<td style="width:119px;">NS-10</td>
			<td>Huoston, TX</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Air Compressor</td>
			<td style="width:131px;">Hydrovane</td>
			<td style="width:119px;">HV05</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ammonia synthesis at low pressure

Ammoniak kan syntetiseras vid lågt tryck genom användning av ammoniak selektiv absorberande material. Processen kan vara drivande med vindkraft, tillgängliga lokalt i områden som kräver ammoniak för syntetiska gödningsmedel. Sådan vindenergi kallas ofta ”stranded”, eftersom det finns bara långt ifrån befolkningscentra där det kan användas direkt.
I den föreslagna lågtryck processen, kväve är tillverkad av luft med hjälp av trycket swing absorption och vätgas framställs genom elektrolys av vatten. Medan dessa gaser kan reagera vid ca 400 ° C i närvaro av en främjas konventionell katalysator, är omvandlingen ofta begränsad genom omvänd reaktion, vilket gör denna reaktion endast möjligt vid höga tryck. Denna begränsning kan avlägsnas genom absorption på en ammine-liknande kalcium eller magnesium klorid. Sådan alkalisk metall halogenider kan effektivt ta bort ammoniak, därmed undertrycka jämvikt begränsningar av reaktionen. I föreslagna absorption-förbättrade ammoniak syntesprocessen, kan reaktionshastigheten då kontrolleras inte av kemisk kinetik eller absorption skattesatserna, men av återvinningen av oreagerad gaser. Resultaten jämför gynnsamt med ammoniak från konventionella liten skala Haber - Bosch-processen.

En pilotanläggning i Morris, MN har visat möjligheten att använda vinden för lokala ammoniak tillverkning18, som visas i figur 1. Vinden genererar el, som används för att göra kväve och väte genom trycket swing absorptionen av luft och genom elektrolys av vatten, respektive. En reaktor använder konventionell katalysator för att kombinera kväve och väte gaser, att göra ammoniak. Ammoniaken separeras därefter med hjälp av...

Watch this Scientific Journal Video about Ammonia Synthesis at Low Pressure at JoVE.com

Ammonia Synthesis at Low Pressure

Ammoniak kan syntetiseras vid lågt tryck med hjälp av en konventionell katalysator och ammoniak selektiv absorberande material.

Ammoniak syntes vid lågt tryck

Ammonia can be synthesized at low pressure by the use of an ammonia selective absorbent. The process can be driven with wind energy, available locally in ...

The overall goal of this procedure is to produce ammonia from air, water and wind-generated energy in a low-pressure process with negligible carbon dioxide emissions. This method can help address key issues in ammonia production such as reaction efficiency, product distribution and carbon dioxide emissions. The process uses a solid ammonia-selected absorbent rather than a condenser.Continually removing ammonia from the system decreases the occurrence of the reverse chemical reaction. The main advantage of this process is that it can performed at lower pressure which is safer and less expensive. Cory Marquart and I operate a plant for the conventional process that is 30, 000 times smaller than typical plants.This gives a standard for comparison with the absorbent process. Mike Reese and Cory Marquart are operating the conventional small-scale plant in Morris, Minnesota. Demonstrating the absorption-based process will be Mahdi Malmali, a post-doctoral fellow affiliated with our laboratory.Prior to beginning the process, start up the ammonia generation plant and ramp the catalytic reactor to 440 degrees Celsius. Set the condenser temperature to minus 18 degrees Celsius. Next, turn on the air dryer, the air compressor and the nitrogen generator.Turn on the nitrogen gas booster to fill the nitrogen supply tanks. Turn on the chiller, water deionization unit, electrolyzer and the hydrogen gas booster. Verify that the chiller is operational and cooling liquid is flowing through.Next set the nitrogen inlet regulator to 300 PSI. Open the nitrogen valve to begin pressurizing the process skid. Close the nitrogen bypass valve when the skid reaches 300 PSI.Then, set the hydrogen inlet regulator to 1, 200 PSI and open the hydrogen valve. Once the skid reaches 1, 200 PSI, close the hydrogen valve. Start the skid to begin cycling the one-to-three nitrogen-to-hydrogen gas mixture through the system.After the process has finished, store the condensed ammonia at 150 PSI. To prepare the reactor, use a mortar and pestle to grind the catalyst particles to less than one millimeter in size. Pack the ground catalyst into 0.25-inch tubing.To prepare the absorber, pack 80 grams of calcium chloride or an equivalent amount of another ammonia selective absorbent into a 30-centimeter column with an inner diameter of 2.3 centimeters. Plug the ends of the column with sufficient packing support material to immobilize the absorbent. Install the absorber and the reactor in the experimental apparatus.Heat the reactor to 450 degrees Celsius using the recommended activation temperature procedure while flowing hydrogen through the reactor at 500 SCCM to finish the catalyst activation. Keep the activated catalyst under a blanket of ultra-pure nitrogen gas when the system is idle. To begin the ammonia generation process, close the outlet valve and ramp the reactor to 400 degrees Celsius and the absorber to 180 degrees Celsius.Flush the system with ultra-pure nitrogen gas by repeatedly pressurizing and venting the system. Then, pressurize the system with a one-to-three mixture of nitrogen and hydrogen gases. Stop the nitrogen and hydrogen mass flow controllers.Close the reactor inlet valve. Open the reactor outlet valve and start the recirculation pump. Monitor the reactor and absorber temperatures as the reaction starts and adjust them as necessary to compensate for exothermic processes.Run the process for five hours or until the absorber starts to break through as indicated by a decrease in the change in system pressure over time. Open the nitrogen inlet valve and the ammonia outlet valve and reduce the system to atmospheric pressure. Flow nitrogen through the system at 100 SCCM while heating the absorber for five hours to release the ammonia.The high pressures used in the conventional method are necessary to favor the forward reaction at high temperatures. In the low-pressure separation method, the ammonia is more completely separated before it could undergo the reverse reaction. A significant increase in the rate of conversion was observed relative to the conventional method.The initial reaction rates of the separation method were consistent with published values and separate chemical kinetics experiments. Temperature variation was observed in the initial reaction rates of the reaction absorption method. The overall reaction rate showed much less temperature dependence indicating that the catalytic reaction rate is not a major limiting factor for the conversion rate in the separation method.The absorbent efficiently removed the ammonia from the system, but the capacity of the column decreased after each cycle. Investigation into prolonging the life of the absorbent column is underway. The absorption kinetics were not found to be a significantly limiting factor for ammonia production.The recirculation flow rate was found to correlate with the reaction rate indicating that it is the primary controlling step for the process. This process can make ammonia from air, water and wind. The air and water are sources of nitrogen and hydrogen by pressure-swing absorption and electrolysis respectively.The energy for the process comes from the wind. The Haber-Bosch process is a century-old reaction that feeds a large fraction of the world's population. Trying to improve it has high risk and potentially high reward.Our original idea for this work was to make family farms in rural Minnesota more self-sufficient for their nitrogen fertilizer. The promise of a fuel for energy-short cities by storing wind-based energy as liquid ammonia was an unexpected gain. The key to the absorption-based process is to develop a stable reusable absorbent that efficiently traps ammonia as it is produced.By replacing the conventional condenser with an absorbent bed, we are closer to a cheaper, safer ammonia generation process suitable for small-scale manufacturing.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Gold Nanostar Synthesis with a Silver Seed Mediated Growth Method

Guld Nanostar Syntes med Silver Seed medierad tillväxthämning Metod

The physical, chemical and optical properties of nano-scale colloids depend on their material composition, size and shape 1-5. There is a great interest ...

Induction of Adhesion-dependent Signals Using Low-intensity Ultrasound

Induktion av vidhäftning beroende signaler med hjälp av låg intensitet ultraljud

In multicellular organisms, cell behavior is dictated by interactions with the extracellular matrix. Consequences of matrix-engagement range from ...

High Throughput Microfluidic Rapid and Low Cost Prototyping Packaging Methods

In this work, 3 different packaging and assembly techniques are presented. They can be classified into two categories: one-time use and reusable packaging ...

Design and Construction of Artificial Extracellular Matrix (aECM) Proteins from Escherichia coli for Skin Tissue Engineering

Design and Construction of Artificial Extracellular Matrix aECM Proteins from Escherichia coli for Skin Tissue Engineering

Design och konstruktion av artificiell Extracellular Matrix (AECM) Proteiner från<em&gt; Escherichia coli</em&gt; För hudvävnad Engineering

Recombinant technology is a versatile platform to create novel artificial proteins with tunable properties. For the last decade, many artificial proteins ...

Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation

Rod-baserade Tillverkning av Anpassningsbara Soft Robotic Pneumatisk gripare enheter för känsliga vävnaden Manipulation

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Syntes av Hydrogeler med Antifouling egenskaper som Membran för vattenrening

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...

Quantifying Microorganisms at Low Concentrations Using Digital Holographic Microscopy (DHM)

Quantifying Microorganisms at Low Concentrations Using Digital Holographic Microscopy DHM

Kvantifiera mikroorganismer vid låga koncentrationer använder digitala holografisk mikroskopi (DHM)

Accurately detecting and counting sparse bacterial samples has many applications in the food, beverage, and pharmaceutical processing industries, in ...

Making Conjugation-induced Fluorescent PEGylated Virus-like Particles by Dibromomaleimide-disulfide Chemistry

Att göra konjugation-inducerad fluorescerande pegylerat virusliknande partiklar av Dibromomaleimide-disulfid kemi

The recent rise in virus-like particles (VLPs) in biomedical and materials research can be attributed to their ease of biosynthesis, discrete size, ...