Промышленное получение аммиака: Получение аммиака в промышленности и в лаборатории из азота

Содержание

особенности производственного процесса » SpecAvto — Спецавто — Бетононасосы

Аммиак, как известно еще из школьного курса химии, легкий газ, не имеющий цвет, зато обладающий весьма неприятным запахом. Это вещество имеет чрезвычайно важное значение для промышленности: оно не только служит основой для производства азотных удобрений, но и находит широкое применении в медицине, а также в производстве различных взрывчатых веществ.

Процесс получения аммиака в промышленных условиях включает в себя следующие основные стадии.

  • Во-первых, с помощью так называемого десульфатора происходит изъятие серы из смеси, основой которой служит природный газ.
  • Во-вторых, полученный состав принимает участие в процессе конверсии, неприменным атрибутом которого является применение никелевого катализатора. Данная реакция должна проходить при температуре 8000С, а ее основным результатом является выделение чистого водорода.
  • Третья стадия предполагает подачу в реактор, в котором находится выделившийся водород, азота.
    Эта реакция включает в себя частичное удаление и концентрацию углерода, а также образование водяного пара. Часть азота при этом остается в свободном виде. Необходимыми катализаторами служат оксид железа и медь. Собственно реакция идет как бы в два этапа, температура при этом опускается с четырехсот до 200 градусов по шкале Цельсия.
  • В-четвертых, газовую смесь освобождают от четырехвалентного оксида углерода. Для того чтобы избавиться от ненужной примеси, добавляют специальные щелочные растворы, за счет которых данный оксид и поглощается. Остатки углерода, которых, несмотря на все усилия, обычно сохраняется до 0,5%, связывают с атомами водорода, превращая их в метан. Этот процесс идет при показателях температуры реакции в 4000С.

После всех этих преобразований полученная смесь сжимается, что сопровождается резким повышением температуры. Затем газ охлаждается, и аммиак выделяется в виде конденсата.

Как видно из всего вышеизложенного, получение аммиака в промышленных условиях, процесс не только длительный, но и достаточно затратный. В его основе лежит процесс объединения азота и водорода с участием сразу нескольких катализаторов. На предприятиях по производству этого вещества применяется принцип циркуляции газов: полученный в результате охлаждения смеси аммиак отделяется от водорода и азота, атомы которых, не вступившие в реакцию, вновь используются в промышленном процессе.

Метки: водорода, процесс

Российские химики оптимизировали самое большое химическое производство

В мире производят почти 200 млн тонн аммиака в год, из него получают азотные удобрения, различные пластики, взрывчатые вещества и многое другое. Но синтез аммиака остается почти неизменным с начала XX века: на него расходуется колоссально много электричества. Один из самых энергозатратных этапов синтеза — выделение аммиака из реакционной смеси. Российские ученые из РХТУ, НГТУ и ННГУ предложили проводить ее с помощью гибридной технологии, сочетающей возможности мембранной очистки и современных абсорбентов, и показали, что так можно получать аммиак чистотой до 99%, затрачивая гораздо меньше энергии.

Исследование поддержано Российским научным фондом.

Азот необходим всем живым организмам, поскольку входит в состав белков и аминокислот. И хотя атмосфера Земли почти на 80% состоит из молекулярного азота, в такой форме он практически не усваивается организмами. Поэтому человечество производит так много удобрений, которые содержат азот уже в связанной форме, то есть в виде разных химических соединений азота с другими атомами, из которых организмам уже гораздо проще вытащить азот под свои нужды.А большинство азотных удобрений, в свою очередь, получают из аммиака, который к тому же используют для синтеза различных охлаждающих агентов (рефрижерантов), пластиков, полимеров, взрывчатых веществ и даже в микроэлектронике. В сумме на эти нужды в мире каждый год производят почти 200 млн тонн аммиака, или примерно 25 кг на каждого жителя планеты, и это самое крупнотоннажное химическое производство.

Почти весь аммиак получают в процессе Габера—Боша, предложенном еще в начале XX века и уже через несколько лет принесшем одному из своих разработчиков, Фрицу Габеру, Нобелевскую премию по химии. В нем водород и азот пропускают при высоком давлении через катализатор, и на выходе получается газообразная смесь исходных реагентов и аммиака, из которой потом нужно выделить чистый аммиак. Сейчас для этого смесь охлаждают с применением большого количества хладагентов, и процесс очистки потребляет очень много энергии — более 3 МВт•ч на каждую тонну аммиака, это средний расход электричества в квартире примерно за два года. Поэтому, хотя синтез аммиака и отработан вековым опытом и гигантским производством, ученые постоянно ищут новые более экономичные способы разделения продуктов процесса Габера—Боша.

Исследователи из РХТУ им. Д. И. Менделеева, а также нижегородских вузов НГТУ им. Р. Е. Алексееваи ННГУ им. Н. И. Лобачевского уже предлагали использовать для этого гибридный способ очистки газов, в котором сочетаются технические возможности мембран и абсорбентов. Теперь у них опубликована новая работа, в которой с применением новых абсорбентов исследователи получили аммиак с чистотой, сопоставимой с промышленной.

«Однажды я выступал с пленарным докладом на научной конференции в Португалии, а после ко мне подошел очень известный ученый в области мембран, профессор Эдвард Касслер: он взял меня за руки и показал, сложив ладоши, принцип действия мембраны, а потом рассказал, что заниматься в науке о мембранах нужно только тремя направлениями. Одним из них был аммиак,— рассказывает один из авторов работы, заведующий лабораторией SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева профессор Илья Воротынцев.— Мы уже применяли наш гибридный процесс для синтеза хлористого водорода, организовывали по заданию нобелевского лауреата Жореса Алферова производство высокочистого аммиака для микроэлектроники (для производства светодиодов), а теперь наши интересы сместились в область более массового производства, в том числе получения аммиака».

Гибридная технология очистки газов разработана российскими учеными и протекает в аппарате их собственной конструкции. Он разделен мембраной на две части: в верхнюю поступает смесь газов— в данном случае это аммиак, азот и водород,— которая пропускается через абсорбент, нанесенный на мембрану.

Он накапливает большие количества аммиака и, наоборот, почти не абсорбирует азот и водород, которые выходят обратно из абсорбента в ту же самую полость над мембраной. Молекулы же аммиака выводятся из абсорбента через мембрану в другую часть аппарата: между полостями над и под мембраной создают большой перепад давления, под действием которого аммиак диффундирует через мембрану в нижнюю часть аппарата, из которой уже отводят поток очищенного газа.

В качестве абсорбента ученые использовали четыре разных вещества, которые, по предварительным данным, выглядели перспективными для очистки аммиака. Все они были глубокими эвтектическими растворителями (ГЭР) — так называют смесь двух веществ, температура плавления которой ниже температуры плавления отдельных компонентов. ГЭР получают из доступных реагентов с помощью простого синтеза, а поскольку они остаются жидкими в широком диапазоне температур, сейчас их считают перспективными классом зеленых растворителей. Исследователи работали с тремя уже испытанными ГЭР на основе тиоцианата аммония, которые, по данным литературы, могут абсорбировать большие количества аммиака, и одним уникальным составом на основе метансульфоната 1-бутил-3-метилимидазолия, который был перспективен уже по данным предварительных экспериментов самих российских ученых.

Исходная газообразная трехкомпонентная смесь состояла из аммиака, азота и водорода в объемных отношениях 15,5/62,8/21,7.Лучший результат показал абсорбент на основе ГЭР из тиоцианата аммония, смешанного с глицеролом: с ним чистота аммиака на выходе составляла почти 99%.Однако после повышения скорости подачи газовой смеси эффективность этого абсорбента сильно падала, что может быть критично при масштабировании технологии до реального производства.С этой точки зрения более перспективными оказались растворители на основе смеси тиоцианата аммония и мочевины или этиленгликоля: с ними чистота аммиака даже при повышенных скоростях подачи составляла от 98,4% до 98,7%, что сопоставимо с промышленными показателями.

Не только российские ученые пытаются применить мембранный подход к очистке аммиака. Однако большинство других исследований в этой области, по словам авторов работы, носят материаловедческий характер и пока далеки от практической реализации. В новом же исследовании российских химиков не только подобран наиболее перспективный состав абсорбента, но и проведены проточные эксперименты в реальном аппарате со смесью газов, предельно приближенной к составу продуктов процесса Габера—Боша. Степень очистки аммиака достигала 99%, что близко к современному промышленному способу, дающему чистоту аммиака до 99,8%, но сопряженному с огромными энергопотерями из-за использования криогенных технологий.

«В этой работе мы определили наиболее перспективные абсорбирующие материалы, а теперь продолжаем изучать процесс и разрабатываем новую конструкцию мембранного модуля, которую будет возможно масштабировать для задач промышленности,— рассказывает Илья Воротынцев.— Конечно, процесс синтеза аммиака остается практически неизменным на протяжении 100 лет, но он сопряжен с такими большими затратами энергии и проводится в таких колоссальных объемах, что снижение энергопотребления не то что на порядок, а даже на проценты может принести колоссальную прибыль, а в нашем методе как раз не требуется никаких хладагентов, и поэтому он гораздо доступнее. Да, смена производственной парадигмы — это процесс не мгновенный, но бизнес быстро считает прибыль и убытки, и если будет пример экономически удачной реализации нашего процесса, то это станет мощным толчком к изменениям у всех производителей аммиака».

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками лаборатории SMARTполимерных материалов и технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева, а также НГТУ им. Р.Е. Алексеева и ННГУ им. Н.И. Лобачевского при финансовой поддержке грантов РНФ (№17-79-20286), а также Министерства науки и высшего образования.

Использованы материалы статьи: Anton. N. Petukhov, «A Highly-efficient Hybrid Technique — Membrane-assisted Gas Absorption for Ammonia Recovery after the Haber-Bosch Process», Chemical Engineering Journal (Q1), 2020. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.117835. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127726

Аммиак промышленный синтез — Справочник химика 21

    Основным промышленным способом получения аммиака является синтез его из азота и водорода. Реакция экзотермическая и обратимая  [c.109]

    Если бы после первой мировой войны промышленный синтез аммиака был запрещен, к каким бы это привело последствиям Как бы изменился мир  [c. 525]

    В промышленности аммиак получают синтезом из простых веществ  [c.350]

    Как уже отмечалось ранее, в замкнутых энерготехнологических схемах производства аммиака промышленные выбросы уменьшаются. В частности, на стадии синтеза для предотвращения накопления инертных газов прибегают к продувке циркуляционного газа. После выделения аммиака этот газ можно использовать как сырье или топливо на стадиях производства водородсодержащего газа. Состав продувочных газов [в % (об.)] при общем их объеме 8510 м /ч приведен ниже  [c.209]


    Промышленный синтез аммиака проводят различными способами при разных давлениях (от 100 до 1000 атм) и высоких температурах (400—600°С) в присутствии катализаторов. Азот для синтеза аммиака получают из воздуха, а водород — из газов коксового, водяного, воздушного, природного или разложением воды. [c.131]

    Ведущими направлениями потребления нефтяного или газового углеводородного сырья в нефтехимической промышленности как в Советском Союзе, так и за рубежом являются 1) производство ацетилена, аммиака, метанола, синтез-газа и других, потребляющее, главным образом, природный газ 2) производство бутадиена, изопрена, бутиленов и других, использующее в основном углеводороды С4 и С5, содержащиеся в природных, попутных и нефтезаводских крекинговых и пиролизных газах 3) производство высших олефинов, диолефинов, спиртов, кислот и других, потребляющее парафины и парафиновые концентраты или дистилляты 4) производство бензола, толуола, ксилолов и других моноядерных ароматических углеводородов, использующее отдельные узкие фракции прямогонных бензинов и бензинов вторичного происхождения 5) производство этилена, пропилена и других ценных углеводородов, потребляющее различные виды газообразного и жидкого нефтяного сырья.[c.10]

    В промышленности синтез аммиака ведут в стальных колоннах обычно при 30 МПа и 450 °С. Катализатором является губчатое железо с активирующими добавками (АЬОз, К2О и др ). Необходимую для реакции азото-водородную смесь получают конверсией прир одного газа (см. разд. 7.7). [c.395]

    NO-монооксид азота, бесцветный газ, практически не растворяется в воде, реагирует с кислородом (продукт-NO2), образуется при взаимодействии разбавленной азотной кислоты с диоксидом серы, а в природе-при грозовых разрядах (N3 + Oj 2NO), является промежуточным продуктом в промышленном синтезе азотной кислоты из аммиака  [c.137]

    Аммиак имеет большое промышленное значение. В основном он используется для производства удобрений и является начальным продуктом для промышленного синтеза многих химических веществ. Азотную кислоту получают исключительно из аммиака. Аммиак производят обычно на крупных предприятиях с производительностью до 1 тыс. т/сут. Для дальнейшей переработки аммиак транспортируют на другие предприятия автомобильным, железнодорожным транспортом или по трубопроводам. Как отмечалось выше, аммиак транспортируют либо в сжиженном виде, либо охлажденным. Отметим, что транспортировка аммиака в охлажденном » виде более безопасна. Мировое производство аммиака примерно совпадает по количеству с мировым производством хлора. [c.385]

    Основным промышленным способом получения аммиака является синтез его из азота и водорода. Реакция экзотермическая и обратимая N2 + Зh3 =г 2 Hз, ДЯ° = —92,4 кДж. [c.191]


    В промышленности аммиак получают синтезом из простых веществ. В соответствии с принципом Ле Шателье процесс проводят при давлении 5—1000 атм. Для ускорения реакции применяют катализатор (обычно железо) и нагревание до 400—500°С. Аммиак выделяется также при коксовании каменного угля. В лаборатории его получают действием щелочей на аммонийные соли. Основная масса производимого аммиака используется для получения азотной кислоты и азотистых удобрений — жидкого аммиака и его водных растворов, ЫН4ЫО3, (ЫН4)г504 и др. Водный раствор аммиака (аммиачная вода) — важный реактив для проведения различных реакций. [c.394]

    Катализаторы широко применяются в промышленности (синтез аммиака, производство серной кислоты, гидрирование жиров, крекинг нефти и пр.). Различают гомогенный катализ, при котором катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, и гетерогенный, при котором реакции происходят на поверхности катализатора. [c.406]

    Реакция экзотермична и происходит с уменьшением числа газообразных молекул. В соответствии с принципом Ле Шателье протеканию прямой реакции способствуют низкая температура и высокое давление. При низкой температуре скорость достижения равновесия слишком мала, а при высокой температуре равновесие сдвинуто влево. Поэтому используют оптимальные значения температуры и применяют катализатор для увеличения скорости реакции. Условия промышленного синтеза аммиака следующие давление 200—1000 атм, 500 °С и в качестве катализатора — железо, активированное оксидом алюминия. Выход составляет ж 10% непрореагировавшие газы возвращаются в установку (рис. 22.3). [c.465]

    Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность становится крупным потребителем водорода. Если раньше водород в основном расходовался в промышленности синтеза аммиака, то уже в 1970 г. нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность использовала почти треть производимого водорода (5,6 млн. т/год) и по масштабам потребления стала сравнимой с производством аммиака, что видно из следующих данных [1]  [c.6]

    Физическая химия веществ, находящихся под действием высокого давления, развивается в настоящее время чрезвычайно быстро, ибо за последние сто с небольшим лет высокое давление сделалось мощным методом воздействия на самые разнообразные свойства веществ. С помощью высокого давления получены весьма ценные результаты в физике, химии, геологии, а также осуществлены важнейшие процессы в промышленности синтез аммиака, полимеризация этилена, синтез алмаза и других сверхтвердых материалов и т. д. [c.5]

    ЦИИ этилендихлорида с аммиаком используется в различных промышленных синтезах. [c.259]

    Синтез аммиака. Реакция синтеза аммиака является одним из самых изученных процессов промышленной химии. Для протекания этой реакции необходимо применение высокого давления (вплоть до 100 МПа). Процесс [c.94]

    В-третьих, успех промышленного синтеза аммиака, во многом обеспеченный принципиально новым решением вопроса о конструкциях аппаратов высокого давления, проложил пути перехода от ап- [c.146]

    При строгом анализе необходимо принять во внимание теплоту смешения аммиака с неконвертированным синтез-газом. На рис. 35— 38 теплоемкости Н2, N2, МНд и СН4 представлены как функции температуры и давления. Нильсоном [69] была сделана сводка значений теплового эффекта реакции при 500° С, полученных различными авторами. Значения зависят от поправки на теплоту смешения. На практике более удобно применять стандартный тепловой эффект реакции АЯ45о с (450 °С — оптимальная температура промышленного синтеза) и среднюю теплоемкость газовой смеси Ср- АЯ45о с принимается равной 12,95 ккал1моль ЫНд, а Ср вычисляется по формуле  [c. 155]

    При каких условиях ведут промышленный синтез аммиака  [c.111]

    В замкнутых системах производства аммиака промышленные выбросы уменьшаются. Ранее на стадии синтеза аммиака для предотвращения накопления инертных газов прибегали к продувке и частичному сбросу в атмосферу циркуляционного газа. В настоящее время этот газ после отделения аммиака используют как сырье или топливо на стадиях производства водородсодержащего газа. [c.197]

    Равновесие благоприятствует образованию аммиака при обычной температуре, но скорость реакции очень мала, и эти условия непригодны для промышленного синтеза. [c.223]

    Зачем применяют катализатор в промышленном синтезе аммиака  [c.152]

    Как отмечалось, гетерогенный катализ широко используется в промышленности (синтез и окисление аммиака, синтез метилового спирта, переработка нефтяных продуктов). [c.524]

    В данной программе мы обсудим промышленный синтез аммиака и важные применения этого продукта.[c.331]

    Какой процесс используется для промышленного синтеза аммиака Укажите название этого процесса, запишите уравнение реакции, на которой он основан, и укажите условия, при которых проводится эта реакция. [c.352]

    Опишите промышленный синтез аммиака и обоснуйте условия его. [c.469]

    Производство искусственных смол нуждается в таком широком ассортименте исходных мономеров, что трудно выбрать наиболее важные продукты, которые нефтехимическая промышленность способна поставлять для этой цели. Тем не менее в первую очередь следует назвать стирол, хлористый винил и полиэтилен из этилена, фюрмальдегид из синтетического метанола нефтехимического происхождения и мочевину из аммиака, в синтезе которого используется водород, получаемый конверсией нефтяных газов с водяным паром. [c.22]


    В процессе промышленного синтеза аммиака  [c. 18]

    Реакция синтеза аммиака из газообразных азота и водорода является обратимой н протекает по уравнению Зh3 + N2ч=i 2NHз с выделением тепла. Для того чтобы эта реакция была сдвинута в сторону образования аммиака, промышленные установки для производства синтетического аммиака работают под давлением 30— 90 МПа и при температуре 450—500°С. [c.59]

    Выход аммиака при синтезе его в электрическом разряде еще очень далек от промышленного выхода, получаемого при обычном синтезе (каталитическая реакция при высоком давлении) и составляюпщго 1 кг1квпг-час, т. е. на два порядка больше лучших выходов при электроразрядном методе. [c.180]

    Сложной в теоретическом отношении и чрезвычайно важной для практики оказалась проблема связывания атмосферного азота. В настоящее время, благодаря большому количеству проведенных исследовательских работ, эта проблема успешно решена главным образом путем осуществления реакции промышленного синтеза аммиака из азота и водорода N2- -ЗНаГ 2ЫНзЧ-92 кдж.[c.173]

    Впервые явление катализа было открыто в 1806 г. Н. Клеманом и Ш. Дезормом в камерном процессе получения серной кислоты. Они установили каталитическое действие оксидов азота на скорость окисления SO . В конце XIX в. промышленным методом получения серной кислоты стал контактный способ, основанный на окислении SOj кислородом в присутствии платинового катализатора. В настоящее время вместо дорогостоящих платиповых катализаторов успешно работают оксидные смеси (например, VjOj с K2SO4). Каталитическим способом проводят промышленный синтез аммиака (N ) + 3 (Н ) —> 2 (NH.,), где в качестве катализатора используют железо, промо-тированное оксидами алюминия и калия. Синтез азотной кислоты осуществляют с помощью каталитического окисления аммиака в присутствии платинового катализатора. [c.179]

    I. Деструктивная гидрогенизация. На основании фундаментальных исследований Бергиуса в лабораториях химического концерна Фарбениндустри (Оппау) были разработаны методы так называемой деструктивной гидрогенизации угля. Для этого оказалось необходимым не только изучить основные химические и каталитические реакции, но и создать совершенно новую технику высоких давлений. Однако эти работы были значительно облегчены благодаря большому опыту, приобретенному в результате развития промышленности синтеза аммиака и метанола. Уже в 1924 г. удалось получить с количественным выходом бензин из смолы полукоксования бурого угля путем ее гидрирования в присутствии молибденовых катализаторов при 450° и 200 ат. Этот способ в 1927 г. был осущест1 лен в крупном масштабе на заводах Лейна. [c.95]

    Физическая химия позволяет определят[ь наиболее выгодные условия ведения многих технологических процессов, предвидеть их результаты, овладеть теорией этих процессов и научиться ими управлять. Все это имеет фгромное значение для развития химической промышленности (синтеза аммиака, метанола, широкого ассортимента органических веществ, пластических масс, химических волокон, Ьолучения продуктов нефтехимии и лесохимии и др. ), металлургии, нефтяной промышленности, производства строительных материалов, сельского хозяйства, медицины и др. В свою очередь тесное единение развития теории с практикой обогащает физическую химию новыми проблемами и способствует ее развитию. [c.5]

    Равновесие N2 (г) + ЗН2 (г) ч=ь2МНз (г) + 22,08 ктл при повышении температуры смещается влево, при понижении — вправо. Повышение давления благоприятствует образованию веществ, занимающих в данных условиях меньший объем. Понижение давления действует в противоположном направлении. Поэтому увеличение давления при синтезе аммиака сдвигает равновесие вправо, так как при образовании ЫНз число молекул газа уменьшается вдвое, что уменьшает объем системы. Понижение давления способствует разложению аммиака. Синтез ЫНз возможен в стандартных условиях, так как А = —3,98 ккал/моль. Но при такой температуре процесс очень замедлен. Повышение температуры ускоряет процесс, но сдвигает равновесие влево уже при 600—700 С и при 1 атм он становится в прямом направлении невозможным. Повышение давления до нескольких сот атмосфер делает эту реакцию возможной при указанной температуре, чем и пользуются в промышленном синтезе аммиака, вводя еще катализаторы для ускорения процесса. [c.30]

    Только два естественных процесса вызывают пополнение запасов связанного азота — образование NO в плазме фозовых разрядов и деятельность некоторых видов живущих в почве микроорганизмов, способных связывать молекулярный азот. В экологическом равновесии эти процессы компенсируют убыль связанного азота, нЬ при интенсивном ведении хозяйства расход азота превышает его приход, поэтому существует проблема промышленного синтеза связанного азсгта, имеющая огромное хозяйственное значение. В настоящее время ее решают путем производства синтетического аммиака, из которого получают все другие соединения азота. В будущем, возможно, появятся иные промышленные способы связывания азота, в частности, возродится в ином аппаратурном оформлении плазменный синтез NO, который в начале нашего ека некоторое время использовали я промышленности. Кроме того, разрабатываются методы получения соединений аэота, основанные на каталитическом связывании Nj в комплексы некоторых (/-элементов. [c.396]

    Применение. Водород в больших количествах применяется в химической промышленности (синтез аммиака, метанола и других веществ), в пищевой промышленностн (производство маргарина), в металлургии для получения железа прямым восстамовлением железной руды. [c.456]

    Таким образом, равновесное содержание аммиака резко возрастает с давлением. Это имеет важное значение для промышленного получения аммиака из водорода и азота. При низких температурах порядка комнатной значение константы равновесия синтеза аммиака велико и возможно близкое к количественному превращение азота и водорода в аммиак. Однако скорость реакции при такой температуре слишком низка. При повышении же температуры в силу экзотермичности процесса константа равновесия уменьшается до очень низких значений. Как показывает приведенный расчет, поскольку реакция идет с уменьпгением числа частиц, можно даже при столь малой константе равновесия, как то имеет место при бОО С, получить значительное содержание аммиака в равновесной смеси, повышая давление в реакторе. Это и используется на практике—в промышленности синтез аммиака проводят при повышенных давлениях. [c.259]

    В промышленности аммиак получают синтезом из простых веществ /2N2(г) + 72Н2(г) МНз(г), = 6,19 кДж, [c.381]

    Эта реакция представляет значительный интерес, так как она послужила основой для разработки процесса Габера, применяемого в промышленном синтезе аммиака. При низких температурах преобладает прямая реакция, так как процесс эк-зотермичен протеканию реакции благоприятствует также повышение давления, так как в результате реакции происходит уменьшение объема газа. На практике процесс проводится приблизительно при 500 С и давлении от 100 до 1(Ю0 атм. Высокая температура необходима для повышения скорости реакции. В качестве ката- [c.337]


Стадии технологического процесса производства аммиака

Аммиак широко применяется в современной химической индустрии для производства различных органических и минеральных веществ. В основе технологии его синтеза лежит изобретённый ещё в начале 20 столетия способ, заключающийся в соединении азота и водорода при определённых условиях. Процесс производства происходит при высоких температурах и давлении с использованием специальных катализаторов. Для его осуществления необходимо купить генератор азота, найти источник углеводородов и потратить значительные средства на технологическое оборудование. Разберем стадии технологического процесса производства аммиака.

Этапы производственного процесса

На первой стадии нужно получить исходные газы. Сырьё для их выработки не является дефицитом. Азот в большом количестве содержится в воздухе, а водород входит в состав природного газа. Существует множество химических способов выделения нужных элементов из сырья, но для промышленного производства подходят только наиболее энергоэффективные из них. Чаще всего водород получают из метана и водяного пара методом восстановления в присутствии катализатора при температуре 750 градусов и давлении около 30 атмосфер. В результате получается смесь необходимого газа с монооксидом углерода.

На следующем этапе к полученному соединению добавляют воздух. Под действием кислорода часть водорода сгорает, образуя пар, а ядовитый монооксид превращается в углекислый газ, который удаляется из смеси при помощи специальных щелочных реагентов и используется в дальнейшем для производства минеральных удобрений.

В полученной субстанции содержится приблизительно 25% азота и 74% водорода. С помощью компрессоров смесь сжимают, при этом её давление возрастает до 200 атмосфер.

Наконец, сырьё поступает в колонну синтеза или конвертер. Здесь при температуре свыше 400 градусов в присутствии железного катализатора происходит реакция выделения аммиака. В получившейся газовой смеси доля полезного вещества обычно составляет не более 15%. Его сжижают, а непрореагировавшие компоненты возвращают обратно.

Технологии производства аммиака постоянно совершенствуются с целью снижения энергоёмкости, повышения выхода основного продукта и эффективного использования побочных соединений в производственном цикле.

Получение аммиака в промышленности | Промышленность России и мира…

Аммиак— легкий бесцветный газ, имеющий неприятный резкий запах. Он очень важен для химической промышленности, так как в его составе имеется атом азота и три атома водорода. Аммиак применяется в основном для получения азотосодержащих удобрений, сульфата аммония и мочевины, для получения взрывчатых веществ, полимеров и других продуктов, так же аммиак применяется и в медицине.

Получение аммиака в промышленности не простой, трудоемкий и дорогостоящий процесс, основанный на синтезе его из водорода и азота при помощи катализатора, высокой температуры и под давлением. Активированное оксидами калия и алюминия губчатое железо используется как катализатор. Промышленные установки по синтезу аммиака основаны на циркуляции газов. Это выглядит следующим образом: прореагировавшая смесь газов, в которой содержится аммиак, охлаждается и происходит конденсация и отделение аммиака, а азот с водородом, которые не вступали в реакцию перемешиваются с новой порцией газов и вновь подаются на катализатор.

Рассмотрим данный процесс производственного синтеза аммиака, который происходит в несколько стадий, более подробно. На первой стадии производится удаление серы из природного газа при помощи технического устройства десульфуратора. На втором этапе осуществляется процесс конверсии метана при температуре 800 градусов по Цельсию на никелевом катализаторе: Образовавшийся после данной реакции водород пригоден для синтеза аммиака и в реактор подается воздух, содержащий азот. На этой стадии так же происходит частичное сгорание углерода после его взаимодействия с кислородом, который так же содержится в воздухе: 2 h3O + O2->h3О (пар).

Результатом данной стадии производства является получение смеси водяного пара и оксидов углерода (вторичного) и азота. Третья стадия идет в два процесса. Так называемый процесс “сдвига” идет в двух реакторах “сдвига”. В первом применяется катализатор Fe3O4 и реакция идет при высоких температурах, порядка 400 градусов по Цельсию. + 45,9 кДж. (процесс Гербера)

Процесс получения аммиака. Современный процесс производства аммиака

Аммиак — легкий бесцветный газ, имеющий неприятный резкий запах. Он очень важен для химической промышленности, так как в его составе имеется атом азота и три атома водорода. Аммиак применяется в основном для получения азотосодержащих удобрений, сульфата аммония и мочевины, для получения взрывчатых веществ, полимеров и других продуктов, так же аммиак применяется и в медицине.

Получение аммиака в промышленности не простой, трудоемкий и дорогостоящий процесс, основанный на синтезе его из водорода и азота при помощи катализатора, высокой температуры и под давлением. Активированное оксидами калия и алюминия губчатое железо используется как катализатор. Промышленные установки по синтезу аммиака основаны на циркуляции газов. Это выглядит следующим образом: прореагировавшая смесь газов, в которой содержится аммиак, охлаждается и происходит конденсация и отделение аммиака, а азот с водородом, которые не вступали в реакцию перемешиваются с новой порцией газов и вновь подаются на катализатор.

Рассмотрим данный процесс производственного синтеза аммиака, который происходит в несколько стадий, более подробно. На первой стадии производится удаление серы из природного газа при помощи технического устройства десульфуратора. На втором этапе осуществляется процесс конверсии метана при температуре 800 градусов по Цельсию на никелевом катализаторе: Образовавшийся после данной реакции водород пригоден для синтеза аммиака и в реактор подается воздух, содержащий азот. На этой стадии так же происходит частичное сгорание углерода после его взаимодействия с кислородом, который так же содержится в воздухе: 2 h3O + O2->h3О (пар).

Результатом данной стадии производства является получение смеси водяного пара и оксидов углерода (вторичного) и азота. Третья стадия идет в два процесса. Так называемый процесс “сдвига” идет в двух реакторах “сдвига”. В первом применяется катализатор Fe3O4 и реакция идет при высоких температурах, порядка 400 градусов по Цельсию . + 45,9 кДж. (процесс Гербера)

Связанные статьи:


Строительный гипс, состоящий из плотных пород гипса, производят при помощи трех основных операций. Сначала гипсовый камень дробят, затем происходит помол полученного сырья, и…

Химическими отходами называются отходы химической промышленности, которые содержат вредные вещества, представляющие угрозу для человека своим токсическим воздействия на организм. Химическая промышленность – это отрасль промышленности, занимающаяся…

Аммиак (NH 3) — соединение азота и водорода. Это лёгкий газ с резким запахом. Получение аммиака в промышленности и лабораториях необходимо для производства удобрений, полимеров, азотной кислоты и других веществ.

В промышленности

Аммиак промышленным путём получают из азота, соединяя его с водородом. Азот берут из воздуха, водород — из воды. Впервые метод разработал немецкий химик Фриц Габер. Промышленный способ получения аммиака стали называть процессом Габера.

Реакция проходит с уменьшением объёма и выделением энергии в виде тепла:

3H 2 + N 2 → 2NH 3 + Q.

Реакция обратима, поэтому необходимо соблюсти несколько условий. При высоком давлении и низких температурах объём полученного аммиака увеличивается. Однако низкие температуры замедляют скорость реакции, а повышение температуры способствует увеличению скорости обратной реакции.

Опытным путём были найдены необходимые условия для проведения реакции:

  • температура — 500°C;
  • давление — 350 атм;
  • катализатор — оксид железа Fe 3 O 4 (магнетит) с примесями оксидов серебра, калия, кальция и других веществ.

При таких условиях получившийся газ содержит 30 % аммиака. Чтобы избежать обратной реакции, вещество быстро охлаждают. При низких температурах получившийся газ превращается в жидкость. Неизрасходованные газы — азот и водород — возвращаются обратно в колонну для синтеза. Такой способ помогает быстро получить большие объёмы аммиака, максимально используя сырьё.

Рис. 1. Получение аммиака промышленным путём.

Чтобы найти нужный катализатор, было испробовано 20 тысяч разных веществ.

В лаборатории

Для получения аммиака в лаборатории используется реакция щелочей на соли аммония:

NH 4 Cl + NaOH → NH 3 + NaCl + H 2 O

Также аммиак лабораторным путём можно получить из хлорида аммония, нагретого вместе с гашёной известью, или разложением гидроксида аммония:

  • 2NH 4 Cl + Ca(OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O;
  • NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O.

Рис. 2. Получение аммиака в лаборатории.

Полностью осушить аммиак можно с помощью смеси извести с едким натрием, через которую пропускают полученный газ. Для этой же цели жидкий аммиак смешивают с металлическим натрием и подвергают дистилляции.

Аммиак легче воздуха, поэтому для его сбора пробирку держат вверх дном.

Применение

Аммиак используется в разных отраслях:

  • в сельском хозяйстве — для производства азотсодержащих удобрений;
  • в промышленности — для производства полимеров, взрывчатых веществ, искусственного льда;
  • в химии — для изготовления азотной кислоты, соды;
  • в медицине — в качестве нашатырного спирта.

Рис. 3. Производство удобрений.

Что мы узнали?

Аммиак получают промышленным и лабораторным путём. Для получения в промышленных масштабах используется азот и водород. Смешиваясь под высокой температурой, давлением и под действием катализатора, простые вещества образуют аммиак. Чтобы реакция при высокой температуре не пошла в обратную сторону, газ охлаждают. В лаборатории аммиак получают при реакции солей аммония со щелочами, гашёной известью или путём разложения гидроксида аммония. Аммиак применяется в химической промышленности, сельском хозяйстве, медицине, химии.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.2 . Всего получено оценок: 263.

1) 4FeS 2 + 11O 2 → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

2) 2SO 2 + O 2 V 2 O 5 → 2SO 3

3) nSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3 (олеум)

Измельчённый очищенный влажный пирит (серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое «. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом.
Из печи выходит печной газ, состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Газ очищают от примесей твёрдых частиц (в циклоне и электрофильтре) и паров воды (в сушильной башне).
В контактном аппарате происходит окисление сернистого газа с использованием катализатора V 2 O 5 (пятиокись ванадия) для увеличения скорости реакции. Процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому подбирают оптимальные условия протекания прямой реакции — повышенное давление (т.к прямая реакция идет с уменьшением общего объема) и температура не выше 500 С (т.к реакция экзотермическая).

В поглотительной башне происходит поглощение оксида серы (VI) концентрированной серной кислотой.
Поглощение водой не используют, т.к оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, поэтому образующаяся серная кислота закипает и превращается в пар. Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3

Промышленное получение аммиака

Предварительно получают азотоводородную смесь. Водород получают конверсией метана (из природного газа):

СН 4 + Н 2 О(г) → СО + ЗН 2 — Q

2СН 4 + О 2 → 2СО + 4Н 2 + Q

СО + Н 2 О(г) → СО 2 + Н 2 + Q

Азот получают из жидкого воздуха.

В турбокомпрессоре происходит сжатие смеси до необходимого давления 25·10 6 Па. В колонне синтеза газы реагируют при 450-500 °С в присутствии катализатора (пористое железо с примесями Al 2 O 3 и K 2 O) :
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 + 92 кДж (выход 10-20% аммиака)

Образующийся аммиак отделяют от непрореагировавших азота и водорода сжижением в холодильнике, возвращая непрореагировавшую азотоводородную смесь в колонну синтеза.
Процесс непрерывный, циркуляционный.

Применение: производство азотных удобрений, взрывчатых веществ, пластических масс и др.

Производство метилового спирта

До промышленного освоения каталитического способа получения метанол получали при сухой перегонке дерева (отсюда его название «древесный спирт»). В данное время этот способ имеет второстепенное значение.

Современный способ:

Сырье: синтез-газ — смесь оксида углерода (II) с водородом (1:2).

Вспомогательные материалы: катализаторы (ZnO и CuO).

Основной химический процесс: синтез-газ при температуре 250 °С и давлении 7 МПа превращается каталитически в метанол:

СО + 2Н 2 ↔ СНзОН + Q

Особенности технологического процесса: при прохождении газовой смеси через слой катализатора образуется 10-15% метанола, который конденсируют, а непрореагировавшую смесь смешивают со свежей порцией синтез — газа и после нагревания снова направляют в слой катализатора (циркуляция). Общий выход — 85%.

Условия проведения синтеза метанола и аммиака при среднем давлении сходны, а сырье (природный газ) общее для обоих процессов. Поэтому чаще всего производства метанола и аммиака объединяют (азотно-туковые заводы).

Аммиак – NH 3

Аммиак (в европейских языках его название звучит как «аммониак») своим названием обязан оазису Аммона в Северной Африке, расположенному на перекрестке караванных путей. В жарком климате мочевина (NH 2) 2 CO, содержащаяся в продуктах жизнедеятельности животных, разлагается особенно быстро. Одним из продуктов разложения и является аммиак. По другим сведениям, аммиак получил своё название от древнеегипетского слова амониан . Так называли людей, поклоняющихся богу Амону. Они во время своих ритуальных обрядов нюхали нашатырь NH 4 Cl, который при нагревании испаряет аммиак.

1. Строение молекулы

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине . Три неспаренныхp-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH 4 + .

Вид химической связи: ковалентная полярная, три одинарные σ — сигма связи N-H

2. Физические свойства аммиака

При нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. Растворимость NH 3 в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

3.

В лаборатории

В промышленности

Для получения аммиака в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония:

NH 4 Cl + NaOH = NH 3 + NaCl + H 2 O

(NH 4) 2 SO 4 + Ca(OH) 2 = 2NH 3 + CaSO 4 + 2H 2 O

Внимание ! Гидроксид аммония неустойчивое основание, разлагается: NH 4 OH ↔ NH 3 + H 2 O

При получении аммиака держите пробирку — приёмник дном кверху, так как аммиак легче воздуха:

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

N 2(г) + 3H 2(г) ↔ 2NH 3(г) + 45,9к Дж

Условия:

катализатор – пористое железо

температура – 450 – 500 ˚С

давление – 25 – 30 МПа

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химические основы метода).

4. Химические свойства аммиака

Для аммиака характерны реакции:

  1. с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)
  2. без изменения степени окисления атома азота (присоединение)

Реакции с изменением степени окисления атома азота (реакции окисления)

N -3 → N 0 → N +2

NH 3 – сильный восстановитель.

с кислородом

1. Горение аммиака (при нагревании)

4 NH 3 + 3 O 2 → 2 N 2 + 6 H 2 0

2. Каталитическое окисление амииака (катализатор Pt Rh , температура)

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O

Видео — Эксперимент » Окисление аммиака в присутствии оксида хрома»

с оксидами металлов

2 NH 3 + 3CuO = 3Cu + N 2 + 3 H 2 O

с сильными окислителями

2 NH 3 + 3 Cl 2 = N 2 + 6 HCl (при нагревании)

аммиак – непрочное соединение, при нагревании разлагается

2NH 3 ↔ N 2 + 3H 2

Реакции без изменения степени окисления атома азота (присоединение — Образование иона аммония NH 4 + по донорно-акцепторному механизму)


Видео — Эксперимент «Качественная реакция на аммиак»

Видео — Эксперимент «Дым без огня»

Видео — Эксперимент «Взаимодействие аммиака с концентрированными кислотами»

Видео — Эксперимент «Фонтан»

Видео — Эксперимент «Растворение аммиака в воде»

5. Применение аммиака

По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест; ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора – аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH 3 . Огромные количества аммиака далее используются для получения азотной кислоты , которая идет на производство удобрений и множества других продуктов. Аммиачную воду применяют также непосредственно в виде удобрения, а иногда поля поливают из цистерн непосредственно жидким аммиаком. Из аммиака получают различные соли аммония, мочевину, уротропин . Его применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон , например, найлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка . В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. Аммиак используется также при производстве соды по методу Сольве. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования – насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

Медики используют водные растворы аммиака (нашатырный спирт) в повседневной практике: ватка, смоченная в нашатырном спирте, выводит человека из обморочного состояния. Для человека аммиак в такой дозе не опасен.

ТРЕНАЖЁРЫ

Тренажёр №1 «Горение аммиака»

Тренажёр №2 «Химические свойства аммиака»

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ

№1. Осуществить превращения по схеме:

а) Азот→ Аммиак → Оксид азота (II)

б) Нитрат аммония → Аммиак → Азот

в) Аммиак → Хлорид аммония → Аммиак → Сульфат аммония

Для ОВР составить е-баланс, для РИО полные, ионные уравнения.

№2. Напишите четыре уравнения химических реакций, в результате которых образуется аммиак.

Азотная промышленность сегодня — одна из ведущих отраслей. Применение аммиака распространилось на холодильную технику (R717, медицину или сельское хозяйство (удобрения).

Первостепенное внимание уделяется именно производству азотных удобрений (а значит — и их основам, в том числе аммиаку, спрос на который вырос за последние два десятилетия на 20%).

Но производство аммиака отличается, в первую очередь, высокой энергоемкостью. Вся история этого производства — борьба за понижение используемых энергий (механической, тепловой, электрической).

Синтез аммиака раскрывает формула:

N2 + 3h3 = 2Nh4 + Q

Реакция экзотермическая, обратимая, с уменьшением объема. Поскольку реакция экзотермическая, понижение температуры сместит равновесие к образованию аммиака, однако значительно снизится. Производство аммиака должно идти при высоких температурах (синтез проходит при 500 градусах Цельсия). Повышение t° приведет к Давление от 15 до 100 Мпа позволяет противодействовать влиянию температуры (низкое давление — от 10 до 15 Мпа, среднее давление — от 25 до 30 Мпа, высокое давление — свыше 50 МПа). Из них предпочтительнее среднее.

Катализатором служит с добавками кальция, кремния, калия, оксидов алюминия.

Вредные примеси вода, сероводород) отрицательно сказываются на скорости течения реакции, отравляя катализатор, снижая тем самым его активность и уменьшая сроки службы. Это означает, что сероводородная смесь должна обязательно пройти тщательную очистку. Но даже после очистки в аммиак превращается лишь часть этой смеси. Поэтому оставшуюся непрореагировавшую долю вновь отправляют в реактор.

Как происходит производство аммиака?

В трубопровод подают уже подготовленную смесь из трех частей водорода и одной азота. Она проходит через турбокомпрессор, где сжимается до указанного выше давления, и направляется в колонну синтеза с катализатором на встроенных полках. Процесс, как мы выяснили, сильно экзотермический. Выделяющимся теплом нагревается азотоводородная смесь. Из колонны выходит около 25 процентов аммиака и непрореагировавшие азот с водородом. Весь состав поступает в холодильник, где смесь охлаждается. Аммиак под давлением становится жидким. Теперь в работу вступает сепаратор, задача которого — отделить аммиак в сборник в нижней части и непрореагировавшую смесь, которая возвращается обратно в колонну. Благодаря такой циркуляции азотоводородная смесь используется на 95 процентов. Жидкий аммиак по аммиакопроводу поступает на специальный склад.

Все аппараты, использующиеся в производстве, максимально герметичны, что исключает утечку. Используется лишь энергия происходящих внутри экзотермических реакций. Схема замкнутая, малоотходная. Затраты снижены благодаря непрерывному и автоматизированному процессу.

Производство аммиака не может не влиять на окружающую среду. Неизбежны газовые выбросы, включающие в себя аммиак, оксиды углерода и азота и прочие примеси. Выделяется низкопотенциальная теплота. Сбрасывается вода после промывки систем охлаждения и самого реактора.

Поэтому в производство аммиака необходимо включать каталитическую очистку с наличием газа-восстановителя. Снижения количества сточных вод можно добиться заменой на турбокомпрессоры. Низкопотенциальная теплота может быть утилизирована вводом теплоты высокопотенциальной. Однако это увеличит загрязненность дымовыми газами.

Энерготехнологическая схема, включающая парогазовый цикл, где используются как тепло пара, так и продукты сгорания топлива, одновременно и повысит эффективность производства, и уменьшит выбросы.

Немецкие химики случайно открыли метод получения аммиака с помощью пива

https://ria.ru/20200915/ammoniy-1577261943.html

Немецкие химики случайно открыли метод получения аммиака с помощью пива

Немецкие химики случайно открыли метод получения аммиака с помощью пива — РИА Новости, 15.09.2020

Немецкие химики случайно открыли метод получения аммиака с помощью пива

Немецкие ученые разработали технологию получения аммония при комнатной температуре и низком давлении. Оказалось, чтобы сделать этот сложный и дорогостоящий… РИА Новости, 15.09.2020

2020-09-15T13:35

2020-09-15T13:35

2020-09-15T13:48

наука

технологии

германия

открытия — риа наука

химия

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e4/09/0f/1577253411_52:0:1101:590_1920x0_80_0_0_0dc49fbc2d525c06e62c460798e2acc9.jpg

МОСКВА, 15 сен — РИА Новости. Немецкие ученые разработали технологию получения аммония при комнатной температуре и низком давлении. Оказалось, чтобы сделать этот сложный и дорогостоящий процесс дешевым и доступным, достаточно было добавить бор и воду, или пиво. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Он используется для производства азотных удобрений, взрывчатых веществ и полимеров. Промышленное производство аммиака, так называемый процесс Габера-Боша, требует высоких температур и давления и, по оценкам специалистов, потребляет до двух процентов всей энергии, производимой на Земле. Также в этом процессе задействованы тяжелые элементы — переходные металлы, и ряд химически активных соединений. Ученые из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана в Баварии несколько лет назад начали исследования по разработке новой технологии получения аммония, из которого путем химического восстановления уже делают аммиак. В 2018 году они сообщили, что им удалось синтезировать аммоний из азота с помощью вещества, состоящего только из легких неметаллических элементов, главным из которых был бор. Теперь они усовершенствовали технологию и добились того, что реакция протекает при комнатной температуре и низком давлении без необходимости использования переходных металлов.»Мы знали, что преобразование азота в аммиак будет серьезной проблемой, поскольку для этого потребуется сложная последовательность химических реакций, которые часто несовместимы друг с другом», — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Хольгера Брауншвейга (Holger Braunschweig).Как часто бывает, открытие произошло случайно — чтобы вызвать необходимую реакцию оказалось достаточно следов воды в образце. Чтобы убедиться, в своем открытии, исследователи добавляли вместо чистой воды различные растворы, создающие кислую среду, и даже пиво. И во всех случаях, в реакционной смеси они получали преаммонийный продукт.»Этот эксперимент был отчасти забавным, но он показывает, насколько система устойчива к воде и другим соединениям, — отмечает первый автор статьи, доктор Марка-Андре Легаре (Marc-André Légaré). «Восстановление азота до аммиака — одна из самых важных химических реакций для человечества. Первый раз это было сделано с использованием пива, и особенно символично, что это произошло в Германии!» — говорит еще один автор исследования, доктор Райан Дьюхерст (Rian Dewhurst).Позже ученые обнаружили, что ключевые реакции можно проводить и с использованием твердой кислоты, что делает процесс особенно удобным. Авторы отмечают, что новая технология, несмотря на свои преимущества, пока далека от реального процесса промышленного производства аммония. По словам ученых, чтобы сделать его более адаптированным и экономичным, надо еще придумать, как придать активным частицам определенную форму. Но самое главное сделано — найден легкий и дешевый элемент — бор, который заменит в сложной дорогостоящей реакции тяжелые металлы.

https://ria.ru/20200828/polimery-1576427294.html

https://ria.ru/20200909/kupraty-1576928543.html

германия

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/0f/1577253411_0:0:787:590_1920x0_80_0_0_85d0d31f968675fab385faae2f1f86e8.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

технологии, германия, открытия — риа наука, химия

МОСКВА, 15 сен — РИА Новости. Немецкие ученые разработали технологию получения аммония при комнатной температуре и низком давлении. Оказалось, чтобы сделать этот сложный и дорогостоящий процесс дешевым и доступным, достаточно было добавить бор и воду, или пиво. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности. Он используется для производства азотных удобрений, взрывчатых веществ и полимеров.

Промышленное производство аммиака, так называемый процесс Габера-Боша, требует высоких температур и давления и, по оценкам специалистов, потребляет до двух процентов всей энергии, производимой на Земле. Также в этом процессе задействованы тяжелые элементы — переходные металлы, и ряд химически активных соединений.

Ученые из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана в Баварии несколько лет назад начали исследования по разработке новой технологии получения аммония, из которого путем химического восстановления уже делают аммиак.

В 2018 году они сообщили, что им удалось синтезировать аммоний из азота с помощью вещества, состоящего только из легких неметаллических элементов, главным из которых был бор. Теперь они усовершенствовали технологию и добились того, что реакция протекает при комнатной температуре и низком давлении без необходимости использования переходных металлов.

28 августа 2020, 13:10НаукаРоссийские химики предложили метод синтеза электропроводящего полимера

«Мы знали, что преобразование азота в аммиак будет серьезной проблемой, поскольку для этого потребуется сложная последовательность химических реакций, которые часто несовместимы друг с другом», — приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Хольгера Брауншвейга (Holger Braunschweig).

Как часто бывает, открытие произошло случайно — чтобы вызвать необходимую реакцию оказалось достаточно следов воды в образце. Чтобы убедиться, в своем открытии, исследователи добавляли вместо чистой воды различные растворы, создающие кислую среду, и даже пиво. И во всех случаях, в реакционной смеси они получали преаммонийный продукт.

«Этот эксперимент был отчасти забавным, но он показывает, насколько система устойчива к воде и другим соединениям, — отмечает первый автор статьи, доктор Марка-Андре Легаре (Marc-André Légaré).

«Восстановление азота до аммиака — одна из самых важных химических реакций для человечества. Первый раз это было сделано с использованием пива, и особенно символично, что это произошло в Германии!» — говорит еще один автор исследования, доктор Райан Дьюхерст (Rian Dewhurst).

Позже ученые обнаружили, что ключевые реакции можно проводить и с использованием твердой кислоты, что делает процесс особенно удобным.

Авторы отмечают, что новая технология, несмотря на свои преимущества, пока далека от реального процесса промышленного производства аммония. По словам ученых, чтобы сделать его более адаптированным и экономичным, надо еще придумать, как придать активным частицам определенную форму. Но самое главное сделано — найден легкий и дешевый элемент — бор, который заменит в сложной дорогостоящей реакции тяжелые металлы.

9 сентября 2020, 08:00НаукаЗагадка «странных металлов». Ученые открыли новое состояние вещества

Процесс Габера для производства аммиака

Процесс Габера объединяет азот из воздуха с водородом, полученным в основном из природного газа (метана), в аммиак. Реакция обратима, а образование аммиака экзотермическое.

Блок-схема процесса Габера выглядит следующим образом:

 

Некоторые примечания к условиям

Катализатор

Катализатор на самом деле немного сложнее, чем чистое железо.В качестве промоутера в него добавлен гидроксид калия — вещество, повышающее его эффективность.

Давление

Давление варьируется от одного завода к другому, но всегда высокое. Вы не ошибетесь, если на экзамене получите 200 атмосфер.

Переработка

При каждом прохождении газов через реактор только около 15% азота и водорода превращается в аммиак. (Эта цифра также варьируется от завода к заводу.) При непрерывной рециркуляции непрореагировавшего азота и водорода общая конверсия составляет около 98%.

Соотношение азота и водорода

Смесь азота и водорода, поступающая в реактор, находится в соотношении 1 объем азота к 3 объемам водорода.

Закон Авогадро гласит, что равные объемы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул. Это означает, что газы поступают в реактор в соотношении 1 молекула азота на 3 молекулы водорода.

Это пропорция, требуемая уравнением.

В некоторых реакциях вы можете использовать избыток одного из реагентов. Вы поступили бы так, если бы особенно важно было израсходовать как можно больше другого реагента, например, если бы он был намного дороже. Это не применимо в данном случае.

Всегда есть обратная сторона использования чего-либо, кроме пропорций уравнения. Если у вас есть избыток одного реагента, через реактор будут проходить молекулы, которые не смогут реагировать, потому что им не с чем реагировать. При этом расходуется пространство реактора, особенно пространство на поверхности катализатора.

 

Температура

Вопросы равновесия

Вам необходимо сместить положение равновесия как можно дальше вправо, чтобы получить максимально возможное количество аммиака в равновесной смеси.

Прямая реакция (производство аммиака) экзотермическая.

Согласно принципу Ле Шателье, этому будет способствовать понижение температуры.Система отреагирует изменением положения равновесия, чтобы противодействовать этому, другими словами, производством большего количества тепла.

Чтобы получить как можно больше аммиака в равновесной смеси, нужна как можно более низкая температура. Однако 400 — 450°C — это не низкая температура!

Оценка ставок

Чем ниже температура, которую вы используете, тем медленнее становится реакция. Производитель старается производить как можно больше аммиака в день. Нет смысла пытаться получить равновесную смесь, содержащую очень высокую долю аммиака, если для достижения равновесия реакции требуется несколько лет.

Вам нужно, чтобы газы достигли равновесия за очень короткое время, пока они будут контактировать с катализатором в реакторе.

Компромисс

400 — 450°C является компромиссной температурой, обеспечивающей достаточно высокую долю аммиака в равновесной смеси (даже если она составляет всего 15%), но за очень короткое время.

 

Давление

Вопросы равновесия

Обратите внимание, что в левой части уравнения 4 молекулы, а в правой только 2.

В соответствии с принципом Ле Шателье, если вы увеличите давление, система отреагирует, благоприятствуя реакции, которая производит меньше молекул. Это приведет к тому, что давление снова упадет.

Чтобы получить как можно больше аммиака в равновесной смеси, нужно максимально высокое давление. 200 атмосфер — это высокое давление, но не невероятно высокое.

Оценка ставок

Повышение давления сближает молекулы. В данном конкретном случае это увеличит их шансы на попадание и прилипание к поверхности катализатора, где они могут реагировать. Чем выше давление, тем лучше с точки зрения скорости газовой реакции.

Экономические соображения

Очень высокое давление очень дорого производить по двум причинам.

Вы должны построить чрезвычайно прочные трубы и защитную оболочку, чтобы выдерживать очень высокое давление. Это увеличивает ваши капитальные затраты при строительстве завода.

Высокое давление требует больших затрат на производство и обслуживание. Это означает, что эксплуатационные расходы вашего завода очень высоки.

Компромисс

200 атмосфер – компромиссное давление, выбранное из экономических соображений. Если используемое давление слишком высокое, затраты на его создание превышают цену, которую вы можете получить за дополнительный произведенный аммиак.

 

Катализатор

Вопросы равновесия

Катализатор никак не влияет на положение равновесия. Добавление катализатора не приводит к увеличению процентного содержания аммиака в равновесной смеси. Его единственная функция — ускорить реакцию.

Оценка ставок

В отсутствие катализатора реакция настолько медленная, что за какое-то разумное время практически никакой реакции не происходит.Катализатор обеспечивает достаточно быстрое протекание реакции для установления динамического равновесия за очень короткое время, в течение которого газы фактически находятся в реакторе.

 

Отделение аммиака

Когда газы покидают реактор, они горячие и находятся под очень высоким давлением. Аммиак легко сжижается под давлением, если он не слишком горячий, и поэтому температура смеси снижается достаточно, чтобы аммиак превратился в жидкость. Азот и водород остаются в виде газов даже при таком высоком давлении и могут быть переработаны.

аммиачное производство — Химический факультет

Пол Габриэльсен
Перепечатано с UNews

Почти столетие назад немецкий химик Фриц Габер получил Нобелевскую премию по химии для процесса получения аммиака из газообразного водорода и азота. Процесс, до сих пор используется сегодня, возвестила революцию в сельском хозяйстве, но теперь потребляет около одного процента мировой энергии для достижения высоких давлений и температур, которые запустить химические реакции с образованием аммиака.

Сегодня химики Университета Юты опубликовали другой метод, использующий ферменты, полученные природного происхождения, выделяющего аммиак при комнатной температуре. В качестве бонуса реакция генерирует небольшой электрический ток. Метод опубликован в Angewandte Chemie International Edition .

Хотя профессор химии, материаловедения и инженерии Шелли Минтир и ученый с докторской степенью Росс Милтон смогли произвести только небольшое количество аммиака, их метод может привести к менее энергоемкому источнику аммиак, используемый во всем мире в качестве жизненно важного удобрения.

«Это спонтанный процесс, поэтому вместо того, чтобы вкладывать энергию, он на самом деле вырабатывая собственную электроэнергию», — говорит Минтир.

ФОТО ПРЕДОСТАВЛЕНО: Пол Габриэльсен/Университет Юты
Росс Милтон работает в бардачке, используемом для хранения нитрогеназы в бескислородной среде.

Как сделать аммиак

Процесс Габера-Боша (названный также в честь Карла Боша, для промышленного производства) и процесс, разработанный Минтиром и Милтоном. на фундаментальные химические принципы.Чтобы сделать аммиак, который состоит из одного азота атома и трех атомов водорода, химики должны разорвать прочную связь, удерживающую два атомы азота вместе, а затем уменьшить азот, или добавить электроны и протоны к нему в виде водорода. В процессе Габера-Боша водород и газообразный азот прокачиваются над слоями металлических катализаторов, которые способствуют реакции, при давлении до 250-кратное атмосферное давление и температура до 500 градусов по Цельсию (932 F).В настоящее время в процессе ежегодно производится около 500 миллионов тонн аммиака.

 

ФОТО ПРЕДОСТАВЛЕНО: Росс Милтон
Химическая схема, используемая в топливе для производства аммиака гидрогеназы-нитрогеназы клетка.

Моделирование ячейки

В биологии превращение газообразного азота в аммиак называется «фиксацией азота». и осуществляется несколькими путями, в том числе с помощью ферментов, называемых нитрогеназами.Нитрогеназы, используемые некоторыми бактериями, являются единственными известными ферментами для восстановления азота. к аммиаку. Нитрогеназу редко изучают в приложениях топливных элементов, потому что фермент коммерчески недоступен и должен обрабатываться в бескислородной среде.

«Одна из вещей, которую моя группа делает хорошо, — это разработка интерфейса между ферментом и электрод, чтобы ферменты могли взаимодействовать с поверхностью электрода», — Минтир. говорит.

 

Минтир и Милтон представили систему топливных элементов, воспроизводящую биологический процесс. фиксации азота с помощью нитрогеназы и гидрогеназы, фермента, любезно предоставленного сотрудниками Минтира из Instituto de Catalisis y Petroleoquimica в Испании, чтобы лишить электроны газообразного водорода и предоставить их для реакции восстановления азота.

Ячейка состоит из двух отсеков, соединенных электродами из копировальной бумаги. В одной во флаконе газообразный водород окисляется гидрогеназой, и электроны переносятся на анод. В другом электроны отрываются от катода и соединяются с азотом через нитрогеназу. для создания аммиака.

ФОТО ПРЕДОСТАВЛЕНО: Росс Милтон
Собранный топливный элемент h3/N2.Электроды из копировальной бумаги вставлены в анодный (левый левая сторона) и катодная (правая сторона) камеры топливного элемента.

Электроны перемещаются от анода к катоду по цепи. Протоны (окисленные атомы водорода) проходят через мембрану между анодной и катодной камерами, поставляя атомы водорода, необходимые для синтеза аммиака.

Движение электронов создает ток и является источником небольшого количества электроэнергии, полученной в результате реакции.

Увеличение масштаба

Перед мелкомасштабным процессом Минтира и Милтона предстоит решить несколько проблем. могут найти применение в промышленных масштабах. Одним из них является чувствительность нитрогеназы к кислороду. другой — потребность в химически дорогом АТФ, источнике энергии в клетках. и в фиксации азота. Милтон говорит, что реинжиниринг реакции, чтобы обойти потребность в АТФ выведет топливный элемент «на новый уровень». «До тех пор, — говорит он, — наиболее заметным и впечатляющим аспектом этой работы является производство аммиака без массивная утечка энергии, характерная для стандартного отраслевого процесса.

«Реальное дело не в количестве произведенного аммиака, а в том, что его можно одновременно производить электричество», — говорит Милтон.

Полное исследование можно найти здесь.

Синтез аммиака непосредственно из воздуха и воды при температуре и давлении окружающей среды

  • Лан, Р., Ирвин, Дж. Т. С. и Тао, С. В. Аммиак и родственные химические вещества как потенциальные материалы для непрямого хранения водорода. Интер. J. Hydrogen Energy 37, 1482–1494 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Бастидас, Д. М., Тао, С.В. и Ирвин, Дж.Т.С. Симметричный твердооксидный топливный элемент, демонстрирующий окислительно-восстановительные электроды из перовскита. Дж. Матер. хим. 16, 1603–1605 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Пул Дж., Лобковский Э. и Чирик П. Гидрирование и расщепление диазота до аммиака комплексом циркония. Природа 427, 527–530 (2004).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Амар, И.А., Лан, Р., Пети, К. Т. Г. и Тао, С. В. Твердофазный электрохимический синтез аммиака: обзор. J. Твердотельная электрохимия. 15, 1845–1860 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • http://www.kbr.com/Newsroom/Publications/Articles/Carbon-Dioxide-Capture-and-Storage-in-the-Nitrogen-Syngas-Industries.pdf. (Доступ 28 th августа 2012 г.).

  • пдф. (Доступ 28 th августа 2012 г. ).

  • Waugh, K.C., Butler, D. & Hayden, B.E. Механизм отравления катализаторов синтеза аммиака оксигенатами O2, CO и h3O — метод определения активной поверхности на месте. Катал. лат. 24, 197–210 (1994).

    КАС Статья Google ученый

  • Дженнингс Дж. Каталитический синтез аммиака: основы и практика. (Спрингер, 1991).

  • Чатт, Дж., Пирман А. и Ричардс Р. Восстановление монокоординированного молекулярного азота до аммиака в протонной среде. Природа 253, 39–40 (1975).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Яндулов Д. и Шрок Р. Каталитическое восстановление диазота до аммиака на одном молибденовом центре. Наука 301, 76 (2003).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Авенье, П.и другие. Диссоциация азота на изолированном поверхностном атоме тантала. Наука 317, 1056 (2007).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Nishibayashi, Y. et al. Бакминстерфуллерены: неметаллическая система для фиксации азота. Природа 428, 279–280 (2004).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Laplaza, C. & Cummins, C. Расщепление азота трехкоординированным комплексом молибдена (III).Наука 268, 861 (1995).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Himmel, H. & Reiher, M. Активация внутреннего азота на атомах чистого металла. Ангью. хим. Интер. Издание 45, 6264–6288 (2006 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Шрок, Р. Каталитическое восстановление диазота до аммиака молибденом: теория против эксперимента. Ангью.хим. Интер. Издание 47, 5512–5522 (2008 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Пикетт С. и Талармин Дж. Электросинтез аммиака. Природа 317, 652–653 (1985).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Фуруя Н. и Йошиба Х. Электровосстановление азота до аммиака на газодиффузионных электродах, модифицированных Fe-фталоцианином. Дж.Электроаналитическая хим. 263, 171–174 (1989).

    КАС Статья Google ученый

  • Фуруя Н. и Йошиба Х. Электровосстановление азота до аммиака на газодиффузионных электродах, модифицированных металлофталоцианинами. J. Electroanalytical Chem. 272, 263–266 (1989).

    КАС Статья Google ученый

  • Норби Т. Твердотельные протонные проводники: принципы, свойства, развитие и перспективы.Ионика твердого тела 125, 1–11 (1999).

    КАС Статья Google ученый

  • Кройер, К. Д. Протонная проводимость: материалы и приложения. хим. Матер. 8, 610–641 (1996).

    КАС Статья Google ученый

  • Ивахара, Х., Эсака, Т., Учида, Х. и Маеда, Н. Протонная проводимость в спеченных оксидах и ее применение в паровом электролизе для производства водорода.Ионика твердого тела 3–4, 359–363 (1981).

    Артикул Google ученый

  • Tao, S.W. & Irvine, J.T.S. Стабильный, легко спекаемый оксидный электролит с протонной проводимостью для среднетемпературных топливных элементов и электролизеров. Доп. Матер. 18, 1581–1584 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Марнеллос Г. и Стукидес М. Синтез аммиака при атмосферном давлении.Наука 282, 98–100 (1998).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Скодра А. и Стукидес М. Электрокаталитический синтез аммиака из водяного пара и азота при атмосферном давлении. Ионика твердого тела 180, 1332–1336 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Мураками Т., Нохира Т., Гото Т., Огата Ю. Х. и Ито Ю. Электролитический синтез аммиака из воды и газообразного азота в расплавленной соли при атмосферном давлении.Электрохим. Acta 50, 5423–5426 (2005).

    КАС Статья Google ученый

  • Мураками Т. и др. Электролитический синтез аммиака из воды и азота при атмосферном давлении с использованием легированного бором алмазного электрода в качестве нерасходуемого анода. Электрохим. & Solid State Lett. 10, E4–E6 (2007).

    КАС Статья Google ученый

  • Амар, И.А., Лан Р., Пети С.Т.Г., Арриги В. и Тао С.В. Электрохимический синтез аммиака на основе композитного карбонатно-оксидного электролита. Ионика твердого тела 182, 133–138 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Перман Э. и Аткинсон Г. Разложение аммиака под действием тепла. Труды Лондонского королевского общества 74, 110–117 (1904).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

  • Кунду, П.П. и Пал А. Катионообменные полимерные мембраны для топливных элементов. Обзоры по химическому машиностроению 22, 125–153 (2006).

    КАС Статья Google ученый

  • Кордали В., Кириаку Г. и Ламброу К. Электрохимический синтез аммиака при атмосферном давлении и низкой температуре в ячейке с твердым полимерным электролитом. хим. Комм. 1673–1674 (2000).

  • Zhang, Z.F., Zhong, Z.P. & Liu, R.Q. Характеристики катодного катализа SmBaCuMO5+δ (M = Fe, Co, Ni) в синтезе аммиака.J. Редкие земли 28, 556–559 (2010).

    КАС Статья Google ученый

  • Скуласон, Э. и др. Теоретическая оценка возможных электрокатализаторов на основе переходных металлов для восстановления N2. физ. хим. хим. физ. 14, 1235–1245 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Бернс Р. и Харди Р. Фиксация азота бактериями и высшими растениями. Молекулярная биология, биохимия и биофизика 21, 1–189 (1975).

    Google ученый

  • Бенеманн Дж. и Валентайн Р. Пути фиксации азота. Успехи микробной физиологии 8, 59–104 (1972).

    КАС Статья Google ученый

  • Хонгсирикарн, К., Гудвин, Дж. Мл., Гринуэй, С. и Креагер, С. Влияние аммиака на проводимость мембран Nafion. Дж. Источники питания 195, 30–38 (2010).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Москвич Ю.Н., Поляков А.М., Суховский А.А. ЯМР-исследование движения ионов и механизмов проводимости в протонных проводниках MHSeO4 и M3H(AO4)2. Сегнетоэлектрики 81, 1161–1164 (1988).

    Артикул Google ученый

  • Павловски А. , Павлачик С. и Хилцер Б. Электропроводность в кристаллической группе Me3H(SeO4)2 (Me: NH 4+ , Rb + , Cs + ). Ионика твердого тела 44, 17–19 (1990).

    Артикул Google ученый

  • Бинневис, М.и Милке, Э. Термохимические данные элементов и соединений. (Онлайн-библиотека Wiley, 1999 г.).

  • Янг, С.К., Тревино, С. и Бек Тан, Н.К. Исследование структурных изменений нафионовых мембран, вызванных набуханием в различных растворителях, с помощью малоуглового рассеяния нейтронов. Журнал науки о полимерах, часть B: Физика полимеров, 40, 387–400 (2002).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Халсейд, Р., Vie, PJS и Tunold, R. Влияние аммиака на характеристики топливных элементов с мембраной из полимерного электролита. Дж. Источники питания 154, 343–350 (2006).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

  • Hargreaves, JSJ & McKay, D. Сравнение реакционной способности азота решетки в катализаторах Co3Mo3N и Ni2Mo3N. Дж. Мол. Катал. А-хим. 305, 125–129 (2009).

    КАС Статья Google ученый

  • Синтез аммиака при низком давлении

    Реферат

    Аммиак можно синтезировать при низком давлении с использованием селективного абсорбента аммиака.Процесс может осуществляться за счет энергии ветра, доступной в районах, где требуется аммиак для синтетических удобрений. Такую энергию ветра часто называют «бесполезной», потому что она доступна только вдали от населенных пунктов, где ее можно использовать напрямую.

    В предлагаемом процессе низкого давления азот производится из воздуха с использованием абсорбции при переменном давлении, а водород производится путем электролиза воды. Хотя эти газы могут реагировать примерно при 400 ° C в присутствии промотированного обычного катализатора, конверсия часто ограничивается обратной реакцией, что делает эту реакцию возможной только при высоких давлениях. Это ограничение может быть снято абсорбцией амминоподобным хлоридом кальция или магния. Такие галогениды щелочных металлов могут эффективно удалять аммиак, подавляя тем самым равновесные ограничения реакции. В предлагаемом процессе синтеза аммиака с усиленной абсорбцией скорость реакции может регулироваться не химической кинетикой или скоростью абсорбции, а скоростью рециркуляции непрореагировавших газов. Результаты выгодно отличаются от аммиака, полученного в обычном мелкосерийном процессе Габера-Боша.

    Ключевые слова: Биоинженерия, Выпуск 126, Синтез аммиака, низкое давление, Габер-Бош, энергия ветра, малые масштабы, устойчивый процесс, бесхозная энергия, распределенное производство.

    Введение

    Аммиак является ключевым промышленным химическим веществом. Он производится с помощью процесса Габера-Боша, известного как одно из самых важных нововведений 20   века1,2. Синтез аммиака осуществляется в присутствии гетерогенного катализатора при повышенных температурах (> 375 °С) и давлениях (> 100 бар)3. Такие высокие требования к температуре и давлению делают синтез аммиака очень энергоемким и капиталоемким. Ежегодно производится около 150 миллионов тонн аммиака4, что составляет 1-3% мирового потребления энергии, 5% потребления природного газа и до 3% выбросов изменяющих климат газов5,6,7.

    Аммиак имеет два основных потенциальных применения. Во-первых, аммиак является синтетическим азотным удобрением1. Без этого удобрения половина нынешнего населения не имела бы доступа к достаточному количеству продовольствия.Во-вторых, аммиак может служить переносчиком энергии либо в качестве углеродно-нейтрального жидкого топлива, либо в качестве косвенного переносчика водорода8,9,10,11. Как правило, возобновляемые ресурсы ( например, ветер) доступны в малонаселенных сельских районах, где их можно использовать; этот тип изолированной энергии ветра и солнца называется «мель». В этом сценарии электрическая и тепловая энергия от возобновляемого источника энергии преобразуется в энергоемкий жидкий аммиак с нулевым выбросом углерода. Полученный жидкий аммиак затем может быть доставлен в городские центры, где он может быть непосредственно использован в топливных элементах на основе аммиака12 и двигателях внутреннего сгорания13 или может быть разложен на водород, а затем использован в водородных топливных элементах или водородных станциях.В результате мы можем перенести ветер американских прерий в многолюдные городские районы США

    В основном из-за использования удобрений производство аммиака является основной отраслью. При комнатной температуре реакция синтеза аммиака является экзотермической и, следовательно, по крайней мере, в принципе, самопроизвольной14, однако проведение реакции в условиях окружающей среды чрезвычайно затруднено из-за сильной азот-азотной связи15. Чтобы преодолеть это, Фриц Габер, как известно, использовал высокие температуры для достижения быстрой кинетики, но эти высокие температуры означали, что обратная реакция подавляла производство.Чтобы уменьшить ингибирование этой обратной реакции, Габер использовал высокое давление для улучшения конверсии. Он провел масштабную реакцию в орудийном стволе, который до сих пор украшает завод BASF в Людвигсхафене.

    Необходимость использовать как высокую температуру, так и давление, в то время как реакция могла бы протекать в гораздо более скромных условиях, разочаровывала химиков более века2. Даже после того, как процесс был коммерциализирован, Карл Бош и огромная группа сотрудников BASF просмотрели всю таблицу Менделеева в поисках лучших катализаторов.Хотя Bosch не добился больших успехов, поиски все еще продолжаются. Еще в прошлом году была инициирована новая исследовательская программа, направленная на поиск нового катализатора16,17. Подробная химия синтеза аммиака в настоящее время хорошо изучена14, и если поиск нового катализатора увенчается успехом, усилия, безусловно, окупятся. Однако, на наш взгляд, прошлые неудачи снижают шансы на успех в будущем.

    В следующем тексте описывается маломасштабный процесс синтеза аммиака и объясняется мотивация исследования альтернативного процесса.

    Мелкомасштабный процесс:

    Аммиак, вырабатываемый ветром Мы совершенствуем процесс Габера-Боша для синтеза аммиака, ищем гораздо меньший и более простой процесс, который может работать локально, но производит незначительное количество углекислого газа. Возможность местного производства аммиака с помощью ветра уже была продемонстрирована на экспериментальной установке, расположенной в Моррисе, штат Миннесота, и показанной на рис. 1 . Миннесоты.На хребте необычайно устойчивый, сильный ветер, перекатывающий по прерии. В результате это Мекка для ветровой электроэнергии.

    С помощью этого электричества мы уже производим аммиак из ветра, используя эту установку, которая в сорок тысяч раз меньше, чем существующие коммерческие операции по ископаемому топливу. Некоторое количество электроэнергии, вырабатываемой ветром, используется для получения азота из воздуха путем адсорбции при переменном давлении — установленного метода разделения воздуха, используемого, например, для пациентов с эмфиземой, которым нужен воздух, обогащенный кислородом. Однако больше электроэнергии используется для производства водорода путем электролиза воды. Эти газы объединяются над обычным катализатором в процессе, схематично показанном на рис. 2 . После реакции газы разделяют охлаждением для конденсации жидкого аммиака. Непрореагировавшие газы, а также несконденсированный аммиак возвращаются в цикл.

    Подробная информация об экспериментальной установке На нашей экспериментальной установке, экспериментальной установке по производству возобновляемого водорода и аммиака Миннесотского университета, электроэнергия обеспечивается совместным расположением 1.Ветрогенератор мощностью 65 МВт. Пилотная установка использует примерно 10% вырабатываемой электроэнергии, а оставшаяся мощность используется в кампусе Миннесотского университета в Моррисе.

    В системе производства водорода используются электролизер, бустерный компрессор и термический охладитель. Эта система производит 0,54 кг газообразного водорода в час, который хранится при давлении 2400 фунтов на квадратный дюйм, используя 24 кВтч электроэнергии. Вода из собственной скважины очищается с помощью системы обратного осмоса и деионизации. Далее вода подается в электролизер со скоростью до 15 л/ч.Азот вырабатывается с помощью генератора азота, предварительного воздушного компрессора, осушителя воздуха и дожимного компрессора. Газообразный азот хранится при давлении 2400 фунтов на квадратный дюйм с использованием примерно 6 кВтч электроэнергии.

    Синтез аммиака использует специальную установку. Он включает в себя компрессор, реактор, холодильный контур охлаждения и электронагреватель мощностью 20 кВт. Блок использует около 28 кВтч электроэнергии для производства 2,7 кг аммиака в час, который затем хранится при давлении 150 фунтов на квадратный дюйм. Процесс производства аммиака контролируется встроенными системами ПЛК и ЧМИ.Произведенный водород и азот хранятся на площадке в 18 резервуарах для хранения азота и 54 резервуарах для хранения водорода. Аммиак также хранится на месте в сосуде на 3100 галлонов.

    Ветрогенерация стоит дорого Электричество для этого процесса производится из ветра, поэтому топливо для производства аммиака бесплатное, без использования ископаемого топлива. Однако в капитальных затратах на эту пилотную установку преобладают инвестиции в производство водорода и синтез аммиака. На сегодняшний день операции показывают, что стоимость мелкомасштабного производства аммиака примерно вдвое превышает стоимость обычного аммиака на основе ископаемого топлива.Хотя мы продолжаем оптимизировать наш процесс, мы считаем, что аммиак, производимый небольшими ветровыми установками, не будет конкурентоспособным при текущих ценах на природный газ. Капитальные затраты на массу произведенного аммиака могут быть снижены за счет более крупного традиционного процесса или альтернативного процесса, подобного описанному далее в этой статье.

    Процесс абсорбции:

    Абсорбция увеличивает производство Катализатор, используемый для синтеза аммиака, практически не изменился за последнее столетие19.В связи с этим в данном исследовании мы использовали другой подход. Мы применяем текущий катализатор и рабочую температуру, но поглощаем аммиак при умеренном давлении, как только он образуется. Мы перерабатываем любой непрореагировавший водород и азот. Процесс схематически подобен рис. 3 , подобен обычному процессу, но с абсорбером с насадкой вместо конденсатора.

    Кинетика начальной реакции не меняется Эксперименты с этой системой при низкой конверсии показывают начальную скорость реакции, которая согласуется со многими более ранними исследованиями этой системы3,14,15,20,21,22,23, как показано на рис. Рисунок 4 .На левой панели показаны начальные скорости, которые сильно зависят от температуры. Хотя эти скорости также меняются в зависимости от давления, изменения меньше, как показано на правой панели. В нашем новом процессе мы используем тот же катализатор и аналогичные рабочие условия, но ищем способы улучшить производство аммиака за счет использования абсорбции при более низком давлении. Таким образом, мы надеемся снизить капитальные затраты на синтез аммиака.

    Абсорбция повышает конверсию В нашей работе мы заменили конденсатор в малом процессе насадочным слоем, представляющим собой цилиндрический сосуд, заполненный мелкими частицами абсорбента. Мы выделили абсорбенты, изготовленные в основном из хлорида магния и хлорида кальция11,24. Такие аммиачные абсорбенты обладают двумя эффектами. Во-первых, они снижают концентрацию аммиака в рециркулируемых газах почти до нуля. Во-вторых, они эффективно сокращают время разделения практически до нуля. Эта стратегия продуктивна25,26,27. Например, в рис. 5 мы показываем, что скорость образования аммиака, пропорциональная падению общего давления в системе, при абсорбции гораздо больше, чем без нее.В частности, реакция при 90 бар, показанная красными кружками, является менее полной, чем реакция с абсорбентом, показанная синими треугольниками27. Это верно даже несмотря на то, что реакция без абсорбента протекает при давлении, почти в два раза превышающем давление реакции с абсорбцией. В более ранних экспериментах (здесь не показаны) мы также показали, что окончательная конверсия процесса составляет около 20% без абсорбента, но более 95% с абсорбентом.

    Скорость реакции гораздо меньше зависит от температуры с абсорбцией, чем без нее. Это показано на рис. 6 , где снова представлен синтез аммиака как общее давление по сравнению с временем27. Изменение температуры реакции на 60 °С мало влияет на скорость реакции. Это контрастирует с начальными скоростями в Рисунок 4 , который показывает изменение скорости реакции почти на порядок величины. Результаты для Рисунок 4 и Рисунок 6 отличаются, потому что эффект обратной реакции был уменьшен, поэтому химическая кинетика больше не является единственным этапом, определяющим общую скорость.

    Репрезентативные результаты

    Экспериментальный завод в Моррисе, штат Миннесота, продемонстрировал возможность использования ветра для местного производства аммиака18, как показано на рис. Ветер вырабатывает электричество, которое используется для производства азота и водорода за счет поглощения воздуха при колебаниях давления и за счет электролиза воды соответственно. В реакторе используется обычный катализатор для объединения газообразных азота и водорода с получением аммиака. Затем аммиак отделяют с помощью конденсатора.

    Описанный здесь метод включает процесс повторного использования любого непрореагировавшего водорода и азота.Общая процедура подобна той, что продемонстрирована в традиционном процессе, за исключением того, что конденсатор заменяется абсорбером с насадочным слоем. Абсорбенты в основном изготавливаются из хлорида магния и хлорида кальция. Начальные скорости реакции, продемонстрированные этой системой при низкой конверсии, согласуются со многими более ранними исследованиями, как показано в . Общее падение давления в системе пропорционально производительности по аммиаку. Эта скорость намного выше с абсорбцией, чем без нее, как показано на рис.Также при абсорбции скорость реакции значительно меньше зависит от температуры (). При абсорбции изменение температуры на 60 °С мало влияет на скорость реакции, тогда как начальные скорости реакции () демонстрируют изменение почти на порядок.

    При используемых здесь температурах и давлениях чистые аммины нестабильны. При заданном расходе количество аммиака, поглощаемого слоем, уменьшается после его многократного использования (). Стабилизация абсорбента может улучшить его емкость. Как показано в , эта стабильность в течение многих циклов может быть достигнута за счет улавливания небольших кристаллов хлорида магния в трещинах оксида алюминия.В настоящее время изучаются дополнительные усовершенствования абсорбента.

    При абсорбции химическая кинетика и кинетика абсорбции менее способны ограничивать образование аммиака, как показано на рис. Перехват при бесконечном расходе насоса включает сопротивления реакции и поглощения. Когда эта обратная связь мала, значения химической реакции велики. Более высокие потоки насоса соответствуют увеличению скорости; при бесконечном расходе насоса скорость можно экстраполировать до конечного предела.

    Рис. 1.Малый завод. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рис. 2. Схематический чертеж малогабаритного завода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рис. 3. Абсорбирующий процесс. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рис. 4. Начальные скорости реакции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рис. 5.Преобразование без и с разделением абсорбцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рис. 6. Реакция с абсорбцией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рисунок 7. Существующие поглотители ограничены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рисунок 8. Микрофотографии абсорбентов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Рис. 9. Реакция в сравнении с рециркуляционным потоком . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой фигуры.

    Диапазон пиковых температур (°C) Макс. Скорость повышения температуры (°C/ч) Время ступеней нагрева (ч) Время (ч)
    Ambient-340 8 8 8
    340-370 15-20 2 10
    370-400 10 мая 5 15
    400-430 0-5 28 43 43 43
    430-470 5 8 51
    Держите температуру входа в 450 (° C ) на 4 часа

    Таблица 1. Температурные рампы, используемые для активации катализатора.

    14.07.2014 02.09.2014 17.09.2014 29.10.2014 09.01.2015
    Реактор Т 569 575 563 565 557
    Давление стр 112 72 124 117 128
    Конденсатор Т 404 365 425 413 420
    Реакция 9 3 17 14 30
    Конденсат 0. 019 0,012 0,021 0,02 0,022
    Переработка 0,004 0,005 0,004 0,003 0,003

    920197 Типовая производительность установки из таблицы. Время реакции, конденсации и рециркуляции показывает, что химическая кинетика имеет самое большое время и, следовательно, самую низкую скорость. Единицы: T (°C), p (бар)

    Обсуждение

    Критические стадии реакции-абсорбции Экспериментальный аппарат:

    Убедитесь в отсутствии примесей в азотно-водородной системе.Абсорбирующие материалы будут меняться после каждого цикла. В большинстве случаев при высокой температуре и в присутствии аммиака абсорбирующие материалы сплавляются и образуют большой прочный бетон. В соответствии с термодинамическими свойствами каждого комплекса галогенида металла и амина следует использовать соответствующие температуры для абсорбции и десорбции. Перед каждым испытанием необходимо проверить перепад давления в системе (абсорбере, реакторе, трубопроводе, клапанах, фитингах, и т. д. ), чтобы убедиться, что контур рециркуляции, абсорбер или реактор не вызывают больших перепадов давления в системе. система.

    Ограничения: Лучшие из известных сейчас абсорбентов нестабильны:

    Аммиачные абсорбенты, используемые для отделения аммиака, имеют большую потенциальную емкость, до шести молей аммиака на моль кальция. Это поглощение контролируется диффузией в твердом теле и, следовательно, происходит намного медленнее, чем диффузия в окружающих газах. Абсорбция при высоких температурах и давлениях, как в реакторе синтеза, имеет меньшую мощность, но все же обычно больше, чем количество, собранное поверхностной адсорбцией.

    Однако сами абсорбенты, особенно хлорид магния, нестабильны28. В результате кривые прорыва в экспериментах с уплотненным слоем не воспроизводятся, как показано на рис. 7 . На этом рисунке показаны кривые проскока смеси аммиака и азота, протекающей через уплотненный слой частиц хлорида магния. Как и ожидалось, слой действительно поглощает аммиак, но количество, поглощаемое при заданном расходе, падает по мере многократного использования слоя. В то же время твердые частицы в слое превращаются из сыпучего порошка в единую бетонную массу.Это слияние значительно замедляет кинетику поглощения. Чтобы преодолеть это, мы сделали уплотненный слой оксида алюминия, поддерживающий маленькие кристаллы хлорида магния. Такой слой показывает стабильные кривые прорыва, по-видимому, стабилизированные небольшими кристаллами хлорида, захваченными в трещинах глинозема, как показано на рис. 8 28. Дальнейшее улучшение абсорбента остается предметом активных исследований.

    Значение метода: Рециркуляция непрореагировавшего газа Теперь контроли:

    Стадия контроля теперь, в основном, скорость рециркуляции непрореагировавших газов, как показано на Рисунок 9 . На этом рисунке показана обратная зависимость изменения давления от обратной величины расхода насоса. Изменение давления, конечно, является той же самой мерой реакции, которую мы использовали в рис. 5 и рис. 6 : малые значения этой обратной величины соответствуют большим значениям химической реакции. Обратная величина расхода насоса, показанная на оси x, представляет собой просто удобный способ исследовать, что происходит, когда поток насоса приближается к бесконечности. Как видно, скорость увеличивается при более высоких расходах насоса и экстраполируется до конечного предела при бесконечном расходе насоса.Этот предел близок к максимально возможной скорости реакции, то есть к скорости прямой реакции без ограничений обратной реакции или разделения. Наклон этой линии измеряет эффект рециркуляции непрореагировавших газов.

    Приведенные выше результаты подтверждают жизнеспособность процесса реакционной абсорбции для увеличения производства аммиака при значительно более низких давлениях. Например, в одном наборе измерений мы получили конверсию более 80% при относительно высоких скоростях синтеза аммиака.Это говорит о том, что высокая производительность при таком низком давлении, как 25 бар, возможна при эффективном удалении аммиака из системы. Абсорбция отделяет синтезированный аммиак от реакционной среды и вызывает обратную реакцию.

    Данные для текущей пилотной установки и наши исследования поглощения показывают, что скорость реакции для молей аммиака, синтезированного за время, равна концентрации аммиака в системе при равновесии минус истинная концентрация аммиака, деленная на три характерных времени.Первое из этих времен — время реакции, второе — время разделения, а третье — время рецикла. Примеры этого времени показаны в Таблице 1 , где стадия абсорбции осуществляется путем частичной концентрации аммиака. В настоящее время время реакции самое большое, поэтому производительность существующей пилотной установки регулируется скоростью химической реакции. Мы можем увеличить скорость реакции, увеличив температуру. Мы делаем это, и завод работает хорошо.

    Будущие применения и направления:

    Данные как для пилотного процесса, так и для процесса абсорбции также могут быть проанализированы с точки зрения разности концентраций, разделенной на три характеристических времени. Более конкретно,

    , где C и C и C * и C * являются концентрациями азота, на самом деле присутствующие и присутствующие при равновесии, соответственно, и τ RXN , τ τ SEP , и τ Recycle время реакции, разделения и повторного использования соответственно.В малом растении и в наших измерениях начальной скорости время реакции самое большое, т. е. самое медленное. Он контролирует общую скорость. Поэтому мы пытаемся запустить пилотную установку при более высоких температурах.

    Однако в нашем процессе абсорбции равновесная концентрация C* близка к нулю из-за абсорбции. Кроме того, время реакции и абсорбции в ненасыщенном слое несколько меньше, чем время рецикла. Таким образом, график обратной зависимости скорости реакции от обратной величины рециркуляционного потока должен представлять собой прямую линию, примерно аналогичную той, что показана на рис. 9 .Наклон этой линии должен соответствовать рециркуляционному потоку, а точка пересечения будет представлять любые вклады химических скоростей и скоростей абсорбции. Наши предварительные данные подтверждают это предсказание и предлагают способы дальнейшего улучшения нашего синтеза.

    Хотя эти результаты являются предварительными, они все же позволяют строить предположения о разработке небольшого эффективного процесса производства аммиака при пониженном давлении. Очевидно, это зависит от эффективного абсорбента. В экспериментах до настоящего времени мы не фокусировались на скорости поглощения абсорбента и, следовательно, на его физической геометрии.Мы обнаружили, что эта геометрия не всегда стабильна в реакторных условиях и, следовательно, представляет собой основную область для дальнейшего развития. Мы также не беспокоились о необходимом количестве абсорбента: чтобы получить больше абсорбента, мы просто использовали больше абсорбента. Кроме того, мы не беспокоились о сроке службы абсорбента; мы заметили, что абсорбирующие свойства часто ухудшаются по мере использования, как за счет образования мелких частиц, так и за счет уменьшения площади поверхности. Все эти вопросы, связанные как с абсорбентом, так и с конструкцией абсорбера, должны быть решены, чтобы еще больше прояснить потенциал этого процесса.Однако на данный момент прогноз благоприятный.

    Университет Райса | arpa-e.energy.gov

    • Системы Bigwood — Глобально-оптимальный поток мощности (G-OPF)
    • Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) – Наномеханика электроосажденного лития
    • Калифорнийский технологический институт (Калифорнийский технологический институт) – катализ, усиленный акустическими волнами.
    • Citrine Informatics — машинное обучение для твердых ионных проводников
    • Колорадская горная школа – открытие термоэлектрических материалов
    • Колорадская горная школа – Мембранный реактор синтеза аммиака
    • Колумбийский университет — встроенный адаптер питания
    • Колумбийский университет – Вычисления с помощью кремниевой фотоники
    • Колумбийский университет – совместное производство топлива в процессе биовыщелачивания меди
    • Корнельский университет – Вторичные литий-металлические батареи
    • Cree Fayetteville — алмазные конденсаторы для силовой электроники
    • Институт газовых технологий (ГТИ) — Мягкое окисление метана
    • GeneSiC Semiconductor — новые транзисторы на основе нитрида галлия
    • Университет Джорджа Вашингтона (GWU) – перенос печатных виртуальных носителей
    • Корпорация Технологических Исследований Джорджии — полые волокна для разделения
    • Grid Logic — наноструктурированные порошки ядра/оболочки для магнитов
    • Гарвардский университет – Технология безтранзисторного источника питания
    • Гарвардский университет – Разработка морских глубин для микробного этано- и пропаногенеза
    • Hi Fidelity Genetics — фенотипирование корней растений
    • Inventev — Генератор электроэнергии на основе трансмиссии
    • Университет штата Айова (ISU) – Каталитический автотермический пиролиз
    • Университет Джонса Хопкинса – Адсорбционное сжатие химических реакций
    • Университет Джонса Хопкинса – Углеродное волокно из метана
    • Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (LBNL) – ТОТЭ на металлической опоре для транспортных средств
    • Нью-Йоркский университет (NYU) – Динамика сетки от City Light
    • Северо-восточный университет – Преобразователь мощности для фотоэлектрических систем
    • Северо-восточный университет – материалы для магнитокалорических приложений
    • Университет штата Орегон (OSU) – Программа сравнительного анализа домашних генераторов
    • Otherlab — визуализация данных об энергопотреблении
    • Исследовательский центр Пало-Альто (PARC) – Термоэлектрические генераторы большой площади
    • Princeton Optronics — разработка нового типа системы лазерного зажигания
    • Принстонский университет — Акустический анализ для тестирования аккумуляторов
    • Университет Пердью – Легкие металлические конструкции с биоактивацией
    • Qromis — надежный GaN-переключатель с самозажимом
    • Ricardo – Снижение входных барьеров в отношении капитальных затрат в автомобильной отрасли
    • Университет Райса – Биологическое производство аммиака
    • Saint-Gobain Ceramics & Plastics – Высокотемпературная керамика для производства солнечного топлива
    • Sandia National Laboratories – повышающие преобразователи с высоким коэффициентом усиления
    • Sandia National Laboratories — преобразование энергии с помощью фотопроводящих переключателей
    • Signetron — Аудит мобильных зданий
    • Космические орбитальные службы — низкотемпературная конверсия метана посредством ударных катализаторов из обычных сплавов
    • Стэнфордский университет – CO2 для синтеза товарных полимеров
    • Tandem PV — разблокировать перовскитовые фотоэлектрические элементы.
    • Tetramer Technologies — АЭМ с повышенной стабильностью при высоких температурах
    • Техасский технический университет – твердотельные нейтронные детекторы
    • Исследовательский центр United Technologies (UTRC) – Проектирование сверхэффективных тепложидкостных компонентов.
    • Исследовательский центр United Technologies (UTRC) – Высокопроизводительные транспортные окислительно-восстановительные ячейки с воздушным потоком
    • Калифорнийский университет в Сан-Диего (UC San Diego) – Новые электролиты
    • Калифорнийский университет в Сан-Диего (UC San Diego) – Производство крупногабаритных деталей LOCH
    • Университет Колорадо, Боулдер (CU-Boulder) – Емкостная беспроводная система питания
    • Университет Мэриленда (UMD) – Теплообменники нового поколения с воздушным охлаждением
    • Университет Мэриленда (UMD) – Высокопроизводительные углеродные проволоки
    • Университет Мэриленда (UMD) – Электрохимическое сжатие аммиака
    • Университет Мэриленда (UMD) – Токосъемники для водных батарей
    • Мичиганский университет – Настольный рост высококачественных тонкопленочных фотогальванических элементов
    • Университет штата Небраска, Линкольн (UNL) – Электромагнитный индукционный преобразователь мощности
    • Университет Теннесси, Ноксвилл (Юта) – Реверсивные воздушные батареи
    • Вашингтонский университет (UW) – термоядерная плазма со стабильной намагниченной мишенью
    • Государственный университет штата Юта (УрГУ) – технико-экономический анализ электрических дорог.

    Энергопотребление в течение жизненного цикла и выбросы парниковых газов при производстве аммиака из возобновляемых ресурсов и промышленных побочных продуктов

    Традиционно аммиак получают из природного газа с помощью паровой конверсии метана (SMR), реакции конверсии водяного газа и процесса Габера-Боша.В процессе используется ископаемый природный газ, что приводит к 2,6 метрическим тоннам выбросов парниковых газов (ПГ) в течение жизненного цикла на метрическую тонну произведенного аммиака. Поскольку аммиак является вторым наиболее производимым химическим веществом в мире, его производство составляет примерно 2% мирового потребления ископаемой энергии и ежегодно генерирует более 420 миллионов тонн CO 2 . Для снижения углеродоемкости представляет интерес синтез аммиака с использованием возобновляемых источников энергии или с использованием побочных продуктов промышленных процессов. Мы проводим анализ жизненного цикла традиционных и альтернативных способов производства аммиака, отслеживая потребление энергии и выбросы на всех этапах преобразования, от первичных материалов и энергетических ресурсов до ворот завода по производству аммиака. Из всех альтернативных способов получения N 2 путем криогенной перегонки и H 2 путем низкотемпературного электролиза с использованием возобновляемого обычный путь SMR.

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

    Еженедельное обновление природного газа


    В новостях:

    Производство аммиака в США растет и становится менее углеродоемким

    В глобальном масштабе производство аммиака является углеродоемким процессом, и 98 % аммиачных заводов по всему миру используют в качестве сырья ископаемое топливо, в основном природный газ (72 %) и уголь (22 %).В производстве аммиака в США, третьем по величине в мире после Китая и России, преобладают менее углеродоемкие заводы по производству аммиака, работающие на природном газе, на долю которых приходится 92% всего производства аммиака в США. Недавнее расширение мощностей по производству аммиака в США, которое было вызвано ростом добычи природного газа и, как следствие, низкими ценами на природный газ, позволило отрасли увеличить внутреннее производство аммиака, сохранив при этом тенденцию к снижению углеродоемкости.

    Рост производства аммиака и снижение его углеродоемкости согласуются с более широкими глобальными целями по отказу от углеродосодержащих видов топлива.Стремясь обезуглероживать свою экономику, страны всего мира рассматривают водород в качестве энергоносителя для замены природного газа там, где потребности в тепле или сырье не могут быть удовлетворены за счет биотоплива или электричества. Однако водород представляет собой проблему, поскольку для его хранения требуется чрезвычайно высокое давление (5000 фунтов на квадратный дюйм или выше) или криогенные температуры (ниже -423ºF), а для транспортировки — трубопроводы из специальной стали. Недавние достижения в технологии двигателей и турбин могут привести к использованию аммиака в качестве носителя водорода, потребляя аммиак либо непосредственно для сжигания, либо превращая его обратно в азот и водород и используя водород в качестве промышленного сырья.

    В отличие от водорода преимущества аммиака заключаются в существующей широкой пользовательской базе и хорошо развитой инфраструктуре. В США аммиак используется в основном как удобрение или как исходное сырье для производства удобрений (например, мочевины), но растет его применение в химической промышленности. Аммиак производится на 32 заводах в 17 штатах и ​​доставляется по стране трубопроводным, железнодорожным, баржевым и автомобильным транспортом. По данным Геологической службы США, производство аммиака в США растет с 2015 года, увеличившись на 46% с 11.6 миллионов метрических тонн в год (мт/год) до 17,0 миллионов тонн/год в 2020 году. Поскольку рост внутреннего производства опережает рост спроса, зависимость США от импорта аммиака снизилась с 40% в 2010 году до 13% в 2020 году.

    Чтобы аммиак служил носителем водорода в условиях декарбонизированной экономики, производство аммиака должно стать углеродно-нейтральным. Процесс Габера-Боша, в котором используется водород, полученный в результате паровой конверсии метана, и азот из воздуха, остается доминирующим методом производства аммиака.Аммиак, получаемый из природного газа, является основным источником производства аммиака в США, и производство аммиака составляет примерно 1,5 миллиарда кубических футов в день (млрд куб. футов в сутки), что составляет 6,5% всего промышленного потребления природного газа в США в 2020 году. В среднем уровень выбросов в США составляет около 2,1 тонны двуокиси углерода на каждую тонну произведенного аммиака, включая выбросы как от сжигания природного газа для получения технологического тепла, так и от его использования в качестве сырья в установке парового риформинга метана.

    Чтобы полностью избежать выбросов углерода, завод должен либо улавливать двуокись углерода, в результате чего получается синий аммиак, либо использовать водород, полученный в результате электролиза воды с использованием возобновляемого электричества, который упоминается как зеленый аммиак. В настоящее время в Соединенных Штатах есть только один завод по производству голубого аммиака, работающий на угле Dakota Gasification Co. в Беуле, Северная Дакота, который улавливает и улавливает выбросы двуокиси углерода, направляя его по трубопроводу на близлежащие нефтяные месторождения для повышения нефтеотдачи.

    Новейший завод по производству аммиака в США, завод Yara/BASF во Фрипорте, штат Техас, строительство которого было завершено в апреле 2018 года, не использует установку парового риформинга метана для подачи водорода в процесс Габера-Боша. Вместо этого он использует избыточный водород с соседних нефтехимических предприятий, таких как установки дегидрирования пропана (PDH) или установки для крекинга этилена, которые обычно сжигают водород для получения технологического тепла.

    CF Industries, крупнейший производитель аммиака в стране, планирует построить первый в США завод по производству зеленого аммиака в Дональдсонвилле, штат Луизиана.К 2023 году новый завод будет производить 20 000 тонн аммиака в год с использованием водорода, полученного путем электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии.

    Обзор:

    (за неделю, закончившуюся в среду, 24 марта 2021 г.)
    • Спотовые цены на природный газ выросли в большинстве регионов на этой отчетной неделе (со среды, 24 марта, по среду, 31 марта). Спотовая цена Henry Hub выросла с 2,45 доллара за миллион британских тепловых единиц (MMBtu) в прошлую среду до 2,49 доллара за миллион британских тепловых единиц вчера.
    • На Нью-Йоркской товарной бирже (NYMEX) срок действия апрельского контракта 2021 года истек в понедельник по цене 2,586 долл./млн БТЕ, что на 7 центов/млн БТЕ выше, чем в прошлую среду. Контрактная цена на май 2021 года увеличилась до 2,608 долл./млн БТЕ, что на 4 цента/млн БТЕ по сравнению с прошлой средой и вчерашним днем. Цена 12-месячных фьючерсных контрактов на период с мая 2021 года по апрель 2022 года выросла на 4 цента/млн БТЕ до $2,782/млн БТЕ.
    • Чистая закачка рабочего газа составила 14 миллиардов кубических футов за неделю, закончившуюся 26 марта.Рабочие запасы природного газа составили 1764 млрд куб. футов, что на 11% ниже уровня прошлого года и на 2% ниже среднего показателя за пять лет (2016–2021 гг.) на этой неделе.
    • Сводная цена на газ для заводов по производству природного газа (NGPL) в Монт-Бельвьё, штат Техас, выросла на 5 центов/млн БТЕ, составив в среднем 7,51 долл. США/млн БТЕ за неделю, закончившуюся 31 марта. Цены на NGPL двигались в узком диапазоне. Цены на природный бензин, этан, пропан и бутан выросли на 1%.Цена на изобутан оставалась неизменной по сравнению с предыдущей неделей.
    • По данным Baker Hughes, за неделю, завершившуюся во вторник, 23 марта, количество буровых установок для добычи природного газа не изменилось и составило 92. Количество буровых установок для добычи нефти выросло на 6 до 324. Количество буровых установок для добычи нефти за последнюю неделю Март был на 144 пункта выше, чем за последнюю неделю июля 2020 года. Это увеличение согласуется с ростом цен на сырую нефть, которые выросли с 42,83 доллара за баррель в июле 2020 года до 66,65 доллара за баррель в марте 2021 года.В Пермском бассейне наблюдался самый сильный рост количества буровых установок: за последнюю неделю марта их число выросло на 5. Общее количество установок увеличилось на 6 и теперь составляет 417.

    дополнительные сводные данные

    Цены/предложение/спрос:

    Цены на большинстве рынков немного увеличиваются каждую неделю из-за переменчивой погоды в стране . Спотовая цена Henry Hub незначительно изменилась в течение отчетной недели (со среды, 24 марта, по среду, 31 марта), поднявшись на 4 цента за миллион британских тепловых единиц (MMBtu) с 2 долларов.45/MMBtu в прошлую среду до $2,49/MMBtu вчера после достижения максимума в $2,51/MMBtu в понедельник.

    Цены на Северо-Западе выросли . Устойчивые температуры ниже нормы по всему региону привели к повышенному спросу и более высоким ценам. На пограничном переходе Сумас, главном пункте доставки природного газа на северо-запад, цена выросла на 26 центов/млн БТЕ с 2,30 долл./млн БТЕ в прошлую среду до 2,56 долл./млн БТЕ вчера. Температура в Сиэтле оставалась в середине 40-х годов, что в среднем было на 5ºF ниже нормы.

    Тенденция к похолоданию в районе Великих озер привела к повышению цен на Среднем Западе в конце отчетной недели . Температура на Среднем Западе, остававшаяся значительно выше нормы на протяжении большей части отчетной недели, вчера резко упала. Вчерашняя зарегистрированная температура в Чикаго упала до 39ºF, что на 4ºF ниже нормы, по сравнению со средним показателем 59ºF (на 16ºF выше нормы) во вторник. Средняя региональная цена Natural Gas Intelligence на Среднем Западе оставалась относительно неизменной на протяжении большей части недели, колеблясь в пределах 6 центов/млн БТЕ по сравнению с ценой в прошлую среду в 2 доллара.32/MMBtu. Региональная цена на Среднем Западе упала до минимума в 2,30 долл./млн БТЕ в прошлую пятницу и выросла до 2,38 долл./млн БТЕ во вторник, после чего вчера резко выросла до 2,51 долл./млн БТЕ. На Chicago Citygate цена выросла на 21 цент с 2,34 долл. США/млн БТЕ в прошлую среду до 2,55 долл. США/млн БТЕ вчера при минимуме в 2,30 долл. США/млн БТЕ в пятницу.

    Цены в Калифорнии немного выросли, поскольку ограничения, связанные с техническим обслуживанием трубопровода, сохраняются . Температура по всей Калифорнии за неделю поднялась выше нормы, что снизило потребность в отоплении по сравнению с предыдущей неделей, когда на обоих основных рынках Калифорнии были зафиксированы температуры ниже нормы. Продолжающееся техническое обслуживание компрессорной станции Bethany рядом с районом залива на линии 400 системы PG&E снизило потоки в трубопроводе до 69% от нормальной производительности и ограничило отбор из хранилищ вдоль пути трубопровода. Цена на PG&E Citygate в Северной Калифорнии выросла на 2 цента, с 3,62 доллара за MMBtu в прошлую среду до 3,64 доллара за MMBtu вчера после достижения недельного минимума в 3,59 доллара в пятницу. Цена на SoCal Citygate в Южной Калифорнии выросла на 3 цента с 2,97 доллара за MMBtu в прошлую среду до 3 долларов.00/MMBtu вчера после падения до $2,61/MMBtu в понедельник.

    По прогнозам более низкие температуры до конца недели подтолкнут цены на северо-восток к росту . В Algonquin Citygate, который обслуживает потребителей в районе Бостона, цена выросла на 61 цент с 1,93 доллара за MMBtu в прошлую среду до 2,54 доллара за MMBtu вчера. В торговой точке Transcontinental Pipeline Zone 6 для Нью-Йорка цена выросла на 64 цента с 1,79 долл. /млн БТЕ в прошлую среду до 2,43 долл./млн БТЕ вчера. Обе ценовые точки сообщили о самых низких ценах за отчетную неделю в пятницу на уровне 1 доллара.80/MMBtu и 1,61$/MMBtu соответственно.

    Цены в регионе добычи Аппалачского бассейна также растут, чему способствует ожидаемый рост спроса на северо-востоке . Спотовая цена Marcellus в Зоне 4 Теннесси выросла на 31 цент с 1,68 долл./млн БТЕ в прошлую среду до 1,99 долл./млн БТЕ вчера. Цена в Dominion South на юго-западе Пенсильвании выросла на 37 центов с $1,75/млн БТЕ в прошлую среду до $2,12/млн БТЕ вчера. Отражая ту же тенденцию, что и цены в северо-восточном регионе спроса, цены в обоих центрах упали до недельных минимумов в пятницу до 1 доллара.40/MMBtu в Зоне 4 Теннесси и 1,70$/MMBtu в Южном Доминионе.

    Цены в Пермском производственном регионе немного снижаются, противореча общенациональной тенденции роста цен на отчетной неделе . IHS Markit сообщает, что среднее недельное производство в Западном Техасе продолжает расти, впервые со второй недели февраля превысив примерно 8,5 миллиардов кубических футов в день (млрд. кубических футов в сутки). Рост цен на сырую нефть поддерживает буровую активность в Пермском бассейне, поскольку количество буровых установок в Пермском бассейне растет.Рост активности, связанной с сырой нефтью, в свою очередь, поддерживает рост добычи природного газа, в результате чего цена на Waha Hub в Западном Техасе упала на 3 цента/млн БТЕ на этой отчетной неделе с 2,31 долл./млн БТЕ в прошлую среду до 2,28 долл./млн БТЕ вчера. Скидка между ценами на природный газ Waha Hub и Henry Hub увеличилась с 14 центов за прошлую среду до 21 цента за MMBtu вчера.

    Производство в США немного выросло по сравнению с предыдущей неделей . По данным IHS Markit, средний общий объем предложения природного газа упал на 0.1% по сравнению с предыдущей отчетной неделей. Добыча сухого природного газа выросла на 0,2% по сравнению с предыдущей отчетной неделей, достигнув в среднем 91,3 млрд куб. футов в сутки, что примерно на 2,0 млрд куб. Средний чистый импорт из Канады снизился на 6,7% по сравнению с прошлой неделей.

    Спрос в США снова снижается неделю за неделей из-за умеренных температур . Согласно данным IHS Markit, общее потребление природного газа в США упало на 6,0% по сравнению с предыдущей отчетной неделей. Потребление природного газа для производства электроэнергии выросло на 1.4% неделя за неделей. Потребление в промышленном секторе снизилось на 1,9% по сравнению с предыдущей неделей. Наибольшее снижение потребления произошло в жилом и коммерческом секторах, где потребление снизилось на 17,1% из-за температур выше среднего и низкой потребности в отоплении на востоке США в течение большей части прошлой отчетной недели. Экспорт природного газа в Мексику увеличился на 2,6%. Поставки природного газа на экспортные объекты сжиженного природного газа (СПГ) в США (поступления по трубопроводам СПГ) не изменились с уровня 11 на прошлой неделе.6 млрд куб. футов в сутки.

    Экспорт СПГ из США увеличился за неделю по сравнению с неделей . Двадцать четыре судна, перевозивших сжиженный природный газ (СПГ) (восемь из Сабин-Пасс, шесть из Фрипорта, пять из Корпус-Кристи, три из Кэмерона и два из Коув-Пойнт) общей грузоподъемностью 87 млрд куб. 25 марта и 31 марта 2021 г., согласно данным о доставке, предоставленным Bloomberg Finance, LP

    .

    Хранение:

    Чистая закачка в хранилище составила 14 млрд куб. футов за неделю, закончившуюся 26 марта, по сравнению со средним чистым изъятием за пять лет (2016–2021 гг.) в размере 24 млрд куб. футов и прошлогодним чистым изъятием в размере 20 млрд куб. футов за ту же неделю.Рабочие запасы природного газа составили 1 764 млрд куб. футов, что на 36 млрд куб. футов ниже, чем в среднем за пять лет, и на 225 млрд куб. футов ниже, чем в прошлом году в это время.

    Согласно опросу The Desk , проведенному среди аналитиков по природному газу, оценки еженедельного чистого изменения действующих запасов природного газа варьировались от чистых закачек от 11 млрд куб. футов до 41 млрд куб. футов при средней оценке 21 млрд куб.

    Дополнительные данные о хранении и аналитические данные можно найти на Информационной панели по хранению природного газа и Еженедельном отчете по хранению природного газа .

    Опубликовано в категории: Разное

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.