[实用新型]一种温和条件下的可集成化连续制氨系统

说明书

本实用新型公开了一种在温和条件下利用合成催化材料的可集成化连续制氨系统，包含第一进气处理装置（PT01）、第二进气处理装置（PT02）、第一合成发生装置（MG01）、第二合成发生装置（MG02）、第一催化材料缓冲装置（FB01）、第二催化材料缓冲装置（FB02）、气体分离装置（GSU）、气体回收装置（GRU）、氮气注入口（N1）、氢气注入口（N2）、氢气回收口（N3）、氮气回收口（N4）和产品氨出口（N5）。目前工业合成氨采用的哈珀法规模复杂，需要高温高压高耗能，本实用新型系统实现了在温和的反应条件下不间断连续制氨，降低氨合成的反应温度和反应压力，提高制氨产出率，降低单位产氨的能耗。

技术领域

本实用新型涉及工业合成氨技术领域，具体为一种温和条件下的可集成化连续制氨系统。

背景技术

氨是最重要的氮肥，是产量最大的合成化工产品之一，被广泛应用在塑料、医药、炸药等工业制造上，氨的衍生物能作为航空航天的推进剂和氧化剂。目前，氨最大的用途在于农业化肥的制造业中，使用含氨氮肥能大幅度的提高粮食产量，世界总人口与氨产量成正比例相关关系。同时，氨分子本身带有三个氢原子，是一种非常优良的能源载体，氨在常温常压下为化学性质稳定的无色气体，易液化、易于储存和运输。因此，近年来，氨被视为一种清洁能源得到了重视。作为一种零碳燃料，氨燃料的研究和应用对于温室气体减排和国内“双碳”战略下目标的实现具有重要意义。

目前大规模工业合成氨采用的是Haber-Bosch法，利用铁触媒催化材料在高温（450 - 600 °C）和高压（20 - 40 MPa）的条件下进行，从而导致高成本，高污染，高能耗的产生。根据相关数据统计，合成氨工业每年消耗的能源占全球能源供应总量的 2%，占全球CO ₂排放量的 1.6%。因此，探索在温和条件下（ 450 °C， 5 MPa）进行合成氨的方法和技术，成为了合成氨发展的重中之重。

同时，伴随着工业合成氨的发展，探究相对低温而且高活性的新型合成氨的特定催化剂，借以升高氨产品的平衡转化率和连续化生产的单程转化率，在紧随其后的研究中。近些年来，由于稀土元素具有特殊的电子跃迁形式，可提供良好的电子转移轨道，无论是作为催化活性中心还是助剂，均在非均相负载型催化剂领域显现出极大的优势，表现出催化活性高、引发速度快、聚合反应可控、立构选择性好、残留少、毒性低等特点，因而受到石油化工、化学化工、三元催化和光电催化等领域广泛关注。

值得关注的是，通过科研工作者的不懈努力，已探索出了多种温和条件下合成氨的方法与手段，主要有光催化合成氨、固氮酶生物催化合成氨、电化学合成氨、等离子体催化合成氨等，但都由于存在不同的问题，如催化效率较低（法拉第效率较低），氨产量极少；反应环境较为苛刻，检测方法和操作难以实现；能耗过高等原因，限制了其在实际中的应用。近期，有最新文章，Mechanochemistry for ammonia synthesis under mildconditions（2020年12月发表于杂志《nature nanotechnology》），报道了一种采用机械化学法在温和的条件下合成氨方案，在低至45℃和1bar的条件下，最终的氨浓度达到了82.5vol%。不过，文章中的方案不能直接用于实际制氨生产中，主要限制如下：首先，方案是在实验室条件下进行，各反应是通过人工操作，分先后步骤依次完成，这样增加了人为操的时间，也无法满足实际生产中连续化不间断的要求。其次，方案为了验证最终的氨合成效果，经过了充分长的球磨时间，保证反应物的充分融合，而实际生产是需要寻求尽量大的产氨浓度和尽量短反应时间的平衡。再次，方案中采用的是小型行星球磨机作为反应合成发生装置，虽然在工业生产中行星球磨机也在各场合被实际应用且可依据反应要求相应扩大，但寻求一种更合理、更高效的反应合成发生装置仍是提高产率的关键。最后，本实用新型方案中利用的是纯铁粉的催化材料，验证了氨合成反应是可进行的。

实用新型内容