CN102348642A - 氨合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效率地合成氨的方法。本发明的合成氨的方法包括：(a)分解水得到含有氢和氧的第1原料气体的水分解工序(101)；(b)采用氧分离膜或氢分离膜至少部分地分离和除去在第1原料气体中含有的氧，得到氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体的第1氧除去工序(102)；(c)使第2原料气体中的氧与氢反应从而以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到氧浓度比第2原料气体低的第3原料气体的第2氧除去工序(103)；以及(d)使第3原料气体中的氢与氮反应从而合成氨的氨合成工序(104)。

Description

氨合成方法
技术领域
本发明涉及利用氢和氮的反应来合成氨的氨合成方法。
背景技术
氨的化学合成在约100年前由德国的研究者哈伯和博施首次成功地大量生产。哈伯-博施(Haber-Bosch)合成法是下述的式(1)所示的反应，由于简便并且效率比较高，所以现在也基本上没有改变地被使用：
N2+3H2→3NH3(约400℃)(1)
关于哈伯-博施合成法的改良，例如在专利文献1中曾提出了将催化剂层分割为3层，在被分割的各个催化剂层之间对反应气体进行热交换来进行中间冷却，由此均衡地提高氨的收率。
以往，来自氢和氮的氨的合成利用铁催化剂来进行，但最近提出了利用含有钌的催化剂进一步降低反应温度，由此均衡地提高氨的收率。
用于氨合成的氢，以往使用以甲烷(CH4)为主成分的天然气得到。在此，由于二氧化碳的温室化系数设为1时的甲烷的温室化系数为23，所以在以甲烷为主成分的天然气的采用和使用期间天然气漏出的情况下，对地球温室化给予不好的影响。此外，天然气这样的化石燃料的枯竭趋向现实。另外还有，天然气的使用实质上伴随作为燃烧气体的二氧化碳的排放，这对地球温室化给予不好的影响。因此，曾提出了通过水的电分解来得到用于氨的合成的氢。
在专利文献2中曾记载了：关于用于来自氢和氮的氨合成的含钌催化剂的使用和通过水的电解进行的氨合成用氢的生成，含钌催化剂因水、一氧化碳、氧等而中毒，并且为了防止这样的含钌催化剂的中毒而精制在氨合成中作为原料使用的氢和氮。具体地讲，在该专利文献2中，含钌催化剂因1ppm以上的微量氧、30ppm以上的微量水分以及微量的一氧化碳而中毒。
具体地讲，在专利文献2中，为了成为氨合成的原料的氢和氮的精制、特别是从氢和氮除去氧，曾提出了使氢和氮的混合气体在填充了氧化催化剂的微量氧除去用氧化反应器(催化剂筒)中流通，在此使氢和氧反应从而形成为水并除去。
另外，在专利文献3中，为了得到在发光二极管(LED)的制造工序中使用的高纯度的氨，曾提出了通过水的电解得到氢，使该氢通到金属氧化物的吸附介质床，来除去H2O、CO、CO2、O2和烃之类的杂质。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2001-240412号
专利文献2：日本特开2003-267725号
专利文献3：日本特表2006-528128号
发明内容
如上述记载那样，为了防止氨合成催化剂的中毒、特别是含钌催化剂的中毒，曾提出了从作为用于氨合成的原料的氢和氮除去氧。另外，为了该氧的除去，曾提出了使用氧化催化剂使氢和氧反应而生成水，由金属氧化物的吸附介质床吸附氧等。
但是，在使氢和氧反应来除去氧的情况下，如果应该除去的氧的量多，则氧除去阶段的氢的消耗量变多，因此存在氨合成方法的效率降低这样的问题。另外，在由吸附介质床吸附来除去氧的情况下，如果应该除去的氧的量多，则有在氧除去阶段必须使用大量的吸附介质这样的问题。另外，为了防止最终得到的氨因与氧的反应而消耗，优选从用于氨合成的原料气体除去氧。
另外，如上述记载那样，在使用天然气得到用于氨的合成的氢的情况下，存在因甲烷和/或二氧化碳向大气中排放，对地球温室化给予不好的影响这样的问题。
本发明提供解决上述的问题并高效地合成氨的方法。
<1>一种氨合成方法，包括：
(a)分解水得到含有氢和氧的第1原料气体的水分解工序；
(b)采用氧分离膜或氢分离膜，至少部分地分离和除去第1原料气体中所含有的氧，得到与第1原料气体相比氧浓度低的第2原料气体的第1氧除去工序；
(c)使第2原料气体中的氧与氢反应从而以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到与第2原料气体相比氧浓度低的第3原料气体的第2氧除去工序；以及
(d)使第3原料气体中的氢与氮反应来合成氨的氨合成工序。
<2>根据上述<1>项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用直接热分解法、热化学分解法或光催化剂分解法分解水，得到第1原料气体。
<3>根据上述<2>项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用利用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者利用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体。
<4>根据上述<3>项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用利用氧化状态不同的氧化铁之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体。
<5>根据上述<1>～<4>项的任一项所述的方法，在水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)中，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。
<6>根据上述<5>项所述的方法，在太阳光聚光装置的聚光部实施水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。
<7>根据上述<1>～<6>项的任一项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用利用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者利用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体，
在水分解和再生装置中进行水分解工序(a)，所述水分解和再生装置具有多个保持着在热分解法中使用的金属和/或金属氧化物的水分解部，
在多个水分解部之中的至少一个中进行水分解工序(a)的期间，在多个水分解部之中的其他的至少一个中将使用过的水分解部再生，并且，
将被再生了的水分解部在水分解工序(a)中再利用。
根据本发明的氨合成方法，为了从含有分解水而得到的氢和氧的原料气体除去氧，采用利用氧分离膜或氢分离膜进行的氧的分离，以及利用氧和氢的反应进行的水的生成或利用吸附介质进行的氢的吸附，在使用水作为氢源的情况下也能够高效地合成氨。
特别是将水通过直接热分解或热化学分解来分解以得到含有氢和氧的原料气体的情况下，所得到的原料气体一般含有氧，在该情况下，采用本发明的氨合成方法可得到显著的效果。
附图说明
图1是表示在本发明的氨合成方法中使用的氨合成装置的例子的图。
图2是表示在本发明的氨合成方法中使用的水分解和再生装置的例子的图。
图3是用于说明图2的水分解和再生装置的图。
图4是表示在本发明的氨合成方法中使用的水分解和再生装置的另一例的图。
图5是表示实施例1的氨合成方法的图。
图6是表示实施例2的氨合成方法的图。
图7是表示实施例3的氨合成方法的图。
图8是表示实施例4的氨合成方法的图。
图9是表示实施例5的氨合成方法的图。
图10是表示实施例6的氨合成方法的图。
附图标记说明
1、101...水分解部
2、2’、102...氧分离膜(氢分离膜)保持部
3、103...氧化催化剂保持部
4、104...氨合成部
5、105...氨回收部
100...本发明的氨合成装置
150...抛物线槽型的聚光装置
A...含有氢和氧的第1原料气体
B...与第1原料气体相比氧浓度低的第2原料气体
C...废弃气流
D...与第2原料气体相比氧浓度低的第3原料气体
E...氮气气流
F...供给物气流
G...含有氨的气流
H...再循环气流
I...氨水流
J...液体水
具体实施方式
本发明的氨合成方法至少包括水分解工序(a)、第1氧除去工序(b)、第2氧除去工序(c)和氨合成工序(d)。
以下详细地说明这些工序(a)～(d)。
<水分解工序(a)>
本发明的氨合成方法包括水分解工序(a)，在此，分解水而得到含有氢和氧的第1原料气体。
在该工序中需要热能的情况下，可以使用任意的热能源，特别是可以使用原子能热能或太阳热能、尤其是太阳热能，在该情况下，不会排放关于地球温室化成问题的二氧化碳等，从该方面看是优选的。
在该水分解工序(a)中，可以用任意的方式分解水以得到含有氢和氧的第1原料气体。因此，例如，为了在该水分解工序(a)中分解水，可以使用下述的水的分解(Water Spritting)方法：
(电解法)
电解法是使用水的电分解的方法，可以得到高纯度的氢，期待在运行成本、装置尺寸方面的进一步的改良。
(直接热分解法)
水的直接热分解是用于分解水以得到氢和氧的最基本的方法，是通过下述的式1所示的反应，在数千摄氏度的高温下直接将水分解为氢和氧的方法：
H2O→H2+1/2O2(数千摄氏度)(式1)
该反应本来需要数千摄氏度的温度，但通过利用催化剂可以在2,000℃左右的温度实现。但是，利用直接热分解法得到的氢一般含有氧。
(热化学分解法)
热化学分解法是通过组合化学反应而在比直接热分解法的情况低的温度下进行水的分解的方法。热化学分解法、尤其是使用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者使用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、更尤其是使用氧化状态不同的氧化铁之间的氧化还原反应的热化学分解法可以扩大规模，也正在实现实用化的目标。但是，利用热化学分解法得到的氢一般含有氧。作为用于热化学分解法的热源，可以使用太阳热能、原子能热能、尤其是太阳热能。作为热化学分解法曾提出了非常多的方法，可考虑例如如下述那样的方法。
(热化学分解法-使用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者使用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法)
代表性的热化学分解法的例子是利用在下述的反应式中镁(Mg)、铝(Al)、铁(Fe)等的金属和其金属氧化物之间的氧化还原反应的方法(M为金属元素、m为金属元素M的化合价)：
M+H2O→M2/mO+H2(式2)
M2/mO→M+1/2O2(式3)
总反应H2O→H2+1/2O2
热化学分解法的其他例子是利用在下述的反应式中氧化状态不同的氧化铁之间的氧化还原反应的方法：
3FeO+H2O→Fe3O4+H2(式4)
Fe3O4→3FeO+1/2O2(式5)
总反应H2O→H2+1/2O2
在利用金属和/或金属氧化物的氧化还原反应的该热化学分解法中使用的金属和/或金属氧化物，可以以微粉形式担载在鳍型结构、蜂窝型结构、颗粒型结构等的载体上。该情况下，能够抑制所使用的金属和/或金属氧化物的烧结，并由此维持比较大的表面积。
关于利用金属和/或金属氧化物的氧化还原反应的该热化学分解法，特别是利用锌的热化学分解法，作为Zn(锌)法为人所知。
作为在该热化学分解法中使用的金属和/或金属氧化物的再生方法，可考虑例如下述(i)～(iii)的方法：
(i)关于镁、铝、锌、铁等的再生、特别是镁的再生，使通过生成氢的反应而生成的金属氧化物与海水反应而形成为金属氯化物，对该金属氧化物进行熔盐电解的电解法。
(ii)关于镁、铝、锌、铁等的再生、特别是镁的再生，将生成的金属氧化物与碳、硅之类的还原剂和/或氮之类的惰性气体一起在减压下加热到高温，作为金属蒸气回收的热还原法。在该方法中，用于还原的装置比较大，所以优选在另外的场所进行使用金属和/或金属氧化物的水的分解、和使用过的金属氧化物的再生。另外，采用该方法再生氧化镁而得到镁的方法，作为皮江法(pidgeon)被谈及。
(iii)关于铁的再生，对生成了的金属氧化物供给碳和一氧化碳，通过热进行直接还原的还原烧成法。在此，作为用于该方法的热源，可考虑使用聚光/集热透镜得到、或者通过燃料的燃烧等而得到。
(热化学分解法-I-S(碘-硫)循环法)
另外，其他的代表性的热化学分解法的例子是作为下述的反应式所示的I-S循环法已知的方法：
H2SO4→H2O+SO2+1/2O2(约950℃)  (式6)
2H2O+SO2+I2→H2SO4+2HI(约130℃)(式7)
2HI→H2+I2(约400℃)            (式8)
总反应H2O→H2+1/2O2
(光催化剂分解法)
光催化剂分解法是通过对接触水的光催化剂照射光，来将水分解为氢和氧的方法，在利用无穷尽的水和太阳光制造氢的方面优选。但是，为了该方法的实用化，需要进一步的研究，并且有时在用光催化剂分解法得到的氢中含有氧。
<第1氧除去工序(b)>
本发明的氨合成方法包括第1氧除去工序(b)，在此，通过氧分离膜或氢分离膜，至少部分地分离和除去第1原料气体所含有的氧，得到与第1原料气体相比氧浓度低的第2原料气体。
(氧分离膜)
本发明中使用的「氧分离膜」，定义为在与至少含有氢和氧的气体接触时，与氢相比使氧优先地透过的膜。在此，氧的透过量和氢的透过量的摩尔比(O2/H2)，例如在操作温度下为2以上、10以上、50以上、100以上或1,000以上。
使用氧分离膜至少部分地分离和除去第1原料气体中所含有的氧的情况下，可以使没有透过氧分离膜的组分为氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体，并且将透过了氧分离膜的组分作为含有比较多量的氧的组分，而废弃；进行再循环而进一步取出氢；用于其他的用途；等等。
作为这样的氧分离膜已知许多的氧分离膜，可以参照例如日本特开2008-062188号公报等。作为具体的氧分离膜，可以使用由CaTiO3这样的具有氧离子和电子的混合导体的复合氧化物形成的氧分离膜。
(氢分离膜)
本发明中使用的「氢分离膜」，定义为在与至少含有氢和氧的气体接触时，与氧相比使氢优先地透过的膜。在此，氢的透过量和氧的透过量的摩尔比(H2/O2)例如在操作温度下为2以上、10以上、50以上、100以上或1,000以上。
使用氢分离膜至少部分地分离和除去第1原料气体中所含有的氧的情况下，可以使透过了氢分离膜的组分为氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体，并且将没有透过氧分离膜的组分设为含有比较多量的氧的组分，而废弃；进行再循环而进一步取出氢；用于其他的用途；等等。
作为这样的氢分离膜已知许多的氢分离膜，可以参照例如日本特开2008-055295号公报等。
<第2氧除去工序(c)>
本发明的氨合成方法包括第2氧除去工序(c)，在此，使氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体中的氧与氢反应，以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到氧浓度比第2原料气体低的第3原料气体。
(氧化催化剂)
在本发明中，为了使第2原料气体中的氧与氢反应而以水的形式除去，可以使用氧化催化剂。另外，通过氧和氢的反应而生成的水，可以通过利用沸石等吸附、将含有水的原料气体暂时冷却到100℃以下进行气-液分离等等来除去。
在本发明中使用的「氧化催化剂」，定义为促进氢和氧的反应，即氧将氢氧化以生成水的反应的催化剂。作为这样的氧化催化剂已知许多的氧化催化剂，可举出例如含有铂的催化剂等的含有贵金属的催化剂、以及含有钴的催化剂、含有镍的催化剂等的含有贱金属的催化剂，关于成本等，优选含有贱金属的催化剂。另外，可以考虑使用与例如在专利文献2中使用的催化剂同样的氧化催化剂，即担载于铝载体上的钯系催化剂。
(吸附介质)
在本发明中，作为为了吸附并除去第2原料气体中的氧而使用的吸附介质，可以举出金属氧化物的吸附介质。
在本发明中使用的「吸附介质」，定义为在与至少含有氢和氧的气体接触时，与氢相比使氧优先地透过的介质。作为这样的吸附介质已知许多的吸附介质，可以考虑使用例如与在专利文献3中使用的介质同样的吸附介质，即例如美国专利第6,241,955号公报所示那样的钡、钾、铁等的金属氧化物。
<氨合成工序(d)>
本发明的氨合成方法包括氨合成工序(d)，在此，使氧浓度比第2原料气体低的第3原料气体中的氢与氮反应来合成氨。
用于由氢和氮合成氨的高温的维持可以通过任意的热能源实现，特别是可以通过原子能热能或太阳热能、尤其是太阳热能来实现，该情况下在不会排放关于地球温室化成为问题的二氧化碳等，在这方面是优选的。
对于由氢和氮合成氨，已知许多的文献，可以参照例如专利文献1～3。作为氨合成时的催化剂，可以与上述的含有铁的催化剂和含有钌的催化剂并列地考虑含有铂的催化剂、含有镍的催化剂等。
因此，例如如专利文献3所述那样，在氨的合成中，通过分割氨合成催化剂层，并在各催化剂层之间设置气体冷却器，来利用气体冷却器回收氨合成时生成的反应热，降低氨合成反应出口的温度，由此可以提高向氨的转化率，作为结果可以降低循环气体量。
另外，在工序(d)中与氢反应的氮，可以加到第1～第3原料气体的任一方中。即，例如，将在工序(d)中与氢反应的氮加到第3原料气体中，可以分别减少在第1和第2氧除去工序中被处理的第1和第2原料气体的量。
<氮的精制工序>
作为用于本发明的氨合成方法的另一原料的氮，可以采用任意的方法得到，可考虑通过例如深冷分离法、膜分离法、压力摇摆吸附法等分离空气而得到。在此，在空气的深冷分离中，一边冷却空气一边压缩，制作液体空气，利用氧和氮的沸点差，从液体空气中分离氮。在该方法中一般地需要大规模的设备，但是可得到高纯度的氮。
<氨的回收工序>
在氨合成工序中生成的氨的回收可以采用任意的方式进行，例如可以通过使水吸收氨从而与作为未反应成分的氢和氮分离的湿式回收工序、或者将氨液化从而与作为未反应成分的氢和氮分离的冷凝工序来实现。
<用于水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)的太阳热能的利用>
如上述记载那样，在水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)中，特别是可以从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。该情况下，在本发明的氨合成方法中，可以在太阳光聚光装置的聚光部实施水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。
具体地讲，在该情况下，可以利用氨合成装置实施水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)，所述氨合成装置具有配置于太阳光聚光装置的聚光部的水分解部和/或氨合成部。在此，水分解部和氨合成部分别是进行本发明的氨合成方法的水分解工序和氨合成工序的部分。
作为该情况下的太阳光聚光装置，可以是抛物线碟型聚光装置、太阳塔型聚光装置、抛物线槽型聚光装置等。具体地讲，抛物线碟型聚光装置是具有反射太阳光而聚光的盘状反射部和接收聚光了的光的受光部的聚光装置，聚光度高，因此得到高温热源，但成本比较高。另外，太阳塔型聚光装置是具有反射太阳光而聚光的多个定日镜(反射部)、和配置于受光塔的上部的受光部的聚光装置，聚光度高，因此得到高温热源，但塔的建设费高，反射镜的控制也要求高度的技术。另外，抛物线槽型聚光装置是具有反射太阳光而聚光的槽型反射部和接受聚光了的光的受光部的聚光装置，聚光度比较低，得到的热源为低温热源。在这些聚光装置中，反射部都可以由铝等的反射性的材料被覆。
该本发明的氨合成方法中使用的氨合成装置，可以是例如图1所示那样的装置。
在图1所示的氨合成装置100中，使用具有脚部150a的抛物线槽型的聚光装置150，在该抛物线槽型的聚光装置150的聚光部配置了水分解部101、氧分离膜(或氢分离膜)保持部102、氧化催化剂(或者吸附介质)保持部103和氨合成部104。在图1所示的氨合成装置100中，通过这样地在聚光装置150的聚光部配置这些部分，使得这些部分的温度被维持在高温，例如500℃以上、600℃以上或者700℃以上。
另外，该氨合成装置100可以具有任意的氨回收部105。另外，在该氨合成装置100中，作为连接各构成部分的导管，可以使用镍铬合金等的耐热性材料的导管。另外，在该氨合成装置100中，流路不需要是直线的，为了得到需要的流路长，也可以是蛇形蜿蜒的。
在该氨合成装置100的使用中，将水(H2O)供给到水分解部101，在该水分解部101中分解水从而生成含有氢和氧的第1原料气体。在水分解部101得到的第1原料气体供给到氧分离膜保持部102，分离第1原料气体中所含有的氧的至少一部分，排出该氧(O2)，得到氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体。
在氧分离膜保持部102得到的第2原料气体，供给到氧化催化剂保持部103，在此使第2原料气体中的氧与氢反应作为水(H2O)除去，得到氧浓度比第2原料气体低的第3原料气体。在氧化催化剂保持部103得到的第3原料气体与氮(N2)和再循环气流(H2+N2)一并作为供给物气流提供给氨合成部104，使氢和氮反应而合成氨。
含有合成的氨的生成物气流，供给到氨回收部105，在此回收氨(NH3)，并将剩余部分作为再循环气流(H2+N2)进行再循环。
另外，在水分解部101，采用热化学分解法、特别是使用氧化铁的热化学分解法生成氢的情况下，通过将使用后的水分解部101替换为再生处理后的水分解部101’来使用，可以连续地进行氢的生成。该情况下，在使用水分解部101’生成氢期间，在水分解部101进行再生处理。
<水分解和再生装置>
如上述记载那样，在本发明的氨合成方法的水分解工序(a)中，可以通过使用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者使用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体。
该情况下，可以在具有多个保持着在热分解法中使用的金属和/或金属氧化物的水分解部的水分解和再生装置中进行水分解工序(a)，在多个水分解部之中的至少一个中进行水分解工序(a)的期间，在多个水分解部之中的其他的至少一个中将使用过的水分解部再生，并且将被再生了的水分解部在水分解工序(a)中再利用。
具体地讲，例如采用水分解部进行的水的分解和水分解部的再生，可以在如图2所示的水分解和再生装置中进行。在此，图2的左侧是水分解和再生装置200的侧视图，另外，图2的右侧是水分解和再生装置200的主视图。
在图2所示的装置200中，在移动用的旋转环170固定4个水分解部101，使该旋转环170旋转，由此使4个水分解部101如箭头171所示那样，在分解水并生成氢的位置P、和采用例如上述的热还原法将使用过的水分解部101再生的位置R之间移动。
在此，配置于位置P的水分解部101，由具有脚部150a的抛物线槽型的聚光装置150供给太阳热能。另外，配置于位置R的水分解部101是通过燃料的燃烧等被供给用于再生的热能160。
另外，在该图2所示的装置200中，可以在位置P和位置R之间的位置Q和S也配置水分解部101那样地，在该位置Q和S可以进行残留气体的除去、催化剂的补充等，并且在位置S，可以进行采用惰性气体的吹扫。
另外，图2所示的装置200具有：具有连接器180p～180s的连接塔180、和具有连接器190p～190s的连接塔190。在此，连接器180p和190p是用于在位置P将水分解部101连接到前后的工艺的装置，连接器180q～180s和190q～190s是用于分别在位置Q～S将水分解部101与用于需要的吹扫的惰性气体供给部、用于再生处理的还原气体供给部等结合的装置。
因此，例如，根据该装置200，可以如图3所示那样在位置P对水分解部101供给水，并且取出在水分解部101生成的氢和氧、以及残留水，在位置Q进行残留气体的除去、催化剂的补充等，在位置R对水分解部101进行还原用的气体和/或液体的供给和排出，并且在位置S进行采用惰性气体的吹扫等等。
另外，具体地讲，例如，采用水分解部的水的分解和水分解部的再生可以利用如图4所示的装置进行。在此，图4是水分解和再生装置400的侧视图。
在图4所示的装置400中，使用移动用的轨道框175和链条(未图示出)等，将水分解部101固定于链条，并驱动链条，由此使水分解部101沿着移动用的轨道框175移动。通过这样地使水分解部101移动，水分解部101如箭头179所示那样，在生成氢的位置P和进行使用过的金属氧化物的再生处理的位置R之间移动。对于该情况下的位置P和R处的处理，可以参照关于图2的装置200的说明。
实施例
(实施例1)
在实施例1的氨合成方法中，使用氧分离膜和氧化催化剂除去原料气体中的氧。在此，使用了图5所示那样的工艺。
在该图5所示的工艺中，在水分解部1分解水(H2O)而得到含有氢和氧的第1原料气体A。在水分解部1得到的第1原料气体A供给到氧分离膜保持部2，分离第1原料气体A中所含有的氧的至少一部分，作为废弃气流C除去，得到氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体B。
第2原料气体B供给到氧化催化剂保持部3，使第2原料气体B中的氧与氢反应并作为水除去，得到氧浓度比第2原料气体低的第3原料气体D。第3原料气体D与氮气气流E和再循环气流H一并作为供给物气流F，提供给氨合成部4，使其与氮反应而合成氨。
这样得到的含有氨的含氨气流G供给到氨回收部5，与液体水J接触并吸收，作为氨水流I回收。另外，在氨回收部5吸收了氨的剩余部分(再循环气流)H与氮气气流E一并作为供给物气流F再次供给到氨合成部4。
将实施例1的工艺的物质收支示于下述的表1。另外，在该工艺中，氨制造量为99.2kg/h，并且得到的氨水的浓度为28％。
Figure BDA0000090171000000151
(实施例2)
在实施例2的氨合成方法中，使用氧分离膜和氧化催化剂除去原料气体中的氧。在此，使用如图6所示的工艺。
该图6所示的工艺，除了在氨合成部4以10MPa的压力合成了氨，并且在氨回收部5使用冷凝器回收了氨以外，与实施例1的工艺同样地进行。
将实施例2的工艺的物质收支示于下述的表2。另外，在该工艺中，氨制造量为99.2kg/h，并且得到的氨的浓度为100％。
Figure BDA0000090171000000171
(实施例3)
在实施例3的氨合成方法中，使用氧分离膜和氧化催化剂除去原料气体中的氧。在此，使用如图7所示的工艺。
该图7所示的工艺，除了在氨合成部4，在氨合成部4的前半部分和后半部分之间配置了气体冷却器，并且在氨回收部5使用冷凝器回收了氨以外，与实施例1的工艺同样地进行。
将实施例3的工艺的物质收支示于下述的表3。另外，在该工艺中，氨制造量为99.2kg/h，并且得到的氨的浓度为100％。
Figure BDA0000090171000000191
(实施例4)
在实施例4的氨合成方法中，使用氢分离膜和氧化催化剂除去原料气体中的氧。在此，使用如图8所示的工艺。
在该图8所示的工艺中，在水分解部1分解水(H2O)而得到含有氢和氧的第1原料气体A。在水分解部1得到的第1原料气体A供给到氢分离膜保持部2’，分离第1原料气体A中所含有的氧的至少一部分，作为废弃气流C除去，得到氧浓度比第1原料气体低的第2原料气体B。在此在该氢分离膜2中，向透过侧供给氮气气流E，使得透过了氢透过膜2的第2原料气体与氮气混合。
第2原料气体B供给到氧化催化剂保持部3，使第2原料气体B中的氧与氢反应并作为水除去，得到氧浓度比第2原料气体低的第3原料气体D。第3原料气体D与再循环气流H一并作为供给物气流F，提供给氨合成部4来合成氨。
这样得到的含有氨的含氨气流G供给到氨回收部5，与液体水J接触并吸收，作为氨水流I回收。另外，在氨回收部5吸收了氨的剩余部分即再循环气流H，与氮气气流E一并作为供给物气流F再次供给到氨合成部4。
将实施例4的工艺的物质收支示于下述的表4。另外，在该工艺中，氨制造量为96.1kg/h，并且得到的氨水的浓度为28％。
Figure BDA0000090171000000211
(实施例5)
在实施例5的氨合成方法中，使用氢分离膜和氧化催化剂除去原料气体中的氧。在此，使用如图9所示的工艺。
该图9所示的工艺中，除了在氨合成部4以10MPa的压力合成氨，并且在氨回收部5使用冷凝器回收氨以外，与实施例3的工艺同样地进行。
将实施例5的工艺的物质收支示于下述的表5。另外，在该工艺中，氨制造量为96.1kg/h，并且得到的氨的浓度为100％。
(实施例6)
在实施例6的氨合成方法中，使用氢分离膜和氧化催化剂除去原料气体中的氧。在此，使用如图10所示的工艺。
该图10所示的工艺中，除了在氨合成部4，在氨合成部4的前半部分和后半部分之间配置气体冷却器，并且在氨回收部5使用冷凝器回收氨以外，与实施例4的工艺同样地进行。
将实施例6的工艺的物质收支示于下述的表6。另外，在该工艺中，氨制造量为96.1kg/h，并且得到的氨的浓度为100％。
Figure BDA0000090171000000251

Claims (7)

1.一种氨合成方法，包括：
(a)水分解工序，该工序分解水得到含有氢和氧的第1原料气体；
(b)第1氧除去工序，该工序采用氧分离膜或氢分离膜至少部分地分离和除去在所述第1原料气体中含有的氧，得到氧浓度比所述第1原料气体低的第2原料气体；
(c)第2氧除去工序，该工序使所述第2原料气体中的氧与氢反应从而以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到氧浓度比所述第2原料气体低的第3原料气体；以及
(d)氨合成工序，该工序使所述第3原料气体中的氢与氮反应从而合成氨。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在水分解工序(a)中，采用直接热分解法、热化学分解法或光催化剂分解法分解水，得到所述第1原料气体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在水分解工序(a)中，采用利用金属与金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者利用氧化状态不同的金属氧化物间的氧化还原反应的热化学分解法分解水，得到所述第1原料气体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在水分解工序(a)中，采用利用氧化状态不同的氧化铁间的氧化还原反应的热化学分解法分解水，得到所述第1原料气体。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的方法，其中，在水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)中，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在太阳光聚光装置的聚光部实施水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。
7.根据权利要求1～6的任一项所述的方法，其中，
在水分解工序(a)中，采用利用金属与金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者利用氧化状态不同的金属氧化物间的氧化还原反应的热化学分解法分解水，得到所述第1原料气体，
在水分解和再生装置中进行水分解工序(a)，所述水分解和再生装置具有多个保持着在所述热分解法中使用的金属和/或金属氧化物的水分解部，
在多个所述水分解部之中的至少一个中进行水分解工序(a)的期间，在多个所述水分解部之中的其他的至少一个中将使用过的水分解部再生，并且，
将被再生了的所述水分解部在水分解工序(a)中再利用。
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