CN106276972A - 一种利用氮气和水合成氨的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用氮气和水合成氨的方法,具体步骤如下:将水气与氮气按照体积比为1︰1~99的比例混合,混合气的温度维持在与水蒸气发生器一致的温度10~100℃,将混合气以50~1000mL/min的流量通入等离子体发生器,离子体发生器的功率为1~6kW,经过10~180min合成氨;本发明氨合成方法操作简单,成本低,易实现工业化应用,在较低能耗下也具有较好的转化效率,使利用空气中的氮气和水合成氨成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及氨合成的技术领域,具体地说是利用氮气和水合成氨的方法,更具体的说是利用等离子体促进氮气和水气反应合成氨的方法。
背景技术
氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位,同时世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨,氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料,称为“化肥氨”(约占70%);同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料,用于生产铵、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料,这部分约占30 %,称为“工业氨”。未来合成氨技术进展的主要趋势是大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行。
20世纪初,德国的研究者哈伯和博施首次成功地大量生产氨,哈伯-博施(Haber-Bosch) 合成法也由于简便并且效率比较高,现在也基本上没有改变地被使用,但由于该法是在高温、高压条件下进行合成,因此能源消耗和设备规模大,并且通过烃的水蒸气重整得到氢气时,存在排放大量二氧化碳(CO2)的问题。
作为氨合成的氢源,以往使用天然气等化石燃料作为合成原料的氢源,因此,会产生因化石燃料的上涨导致氨的制备成本上升的问题,也会产生因二氧化碳(CO2)的排放导致环境负荷的问题,因此利用一种清洁、易得的原材料合成氨,并且不产生其他有害物质的方法,一直是本领域技术人员所追求的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用氮气和水合成氨的方法,具体操作步骤如下:通过水蒸气发生器产生水气,将水气与氮气按照体积比为1:1~99的比例混合,混合气的温度维持在与水蒸气发生器一致的温度10~100℃,将混合气以50~1000mL/min的流量通入等离子体发生器,离子体发生器的功率为1~6kW,经过10~180min合成氨。
所述等离子体发生器为电晕放电等离子体发生器、介质阻挡放电等离子体发生器、射频放电等离子体发生器或微波诱导放电等离子体发生器,均为低能耗器。
本发明合成氨所用原料或装置包括:氮气源1、水蒸气发生器2、等离子体发生器3、气象色谱仪4、氨气收集器5,其中温控仪6用于使管路温度与水蒸气发生器温度保持一致,等离子体发生器3为电晕放电等离子体发生器、介质阻挡放电等离子体发生器、射频放电等离子体发生器或微波诱导放电等离子体发生器。
本发明的有益效果:
(1)本发明合成氨的工艺过程中,不存在额外的制氢过程,直接将氮气和水气在等离子体作用下合成氨,而过程中水中的氧被自由基化、离子化会在收集氨的过程中会附着在管道上或器壁上,随时间推进与空气反应消逝。
(2)本发明使用等离子体使氮气和水直接生成氨,无有害副产物生成。
(3)本发明合成方法操作简单,不需要高压、低压等苛刻条件,常压下即可制得,而且原材料氮气和水廉价易得,易实现工业化应用,在较低能耗下也具有较好的氨产率。
附图说明
图1本发明的流程图;
图2本发明实施例1合成氨的产率曲线;
图3本发明实施例2合成氨的产率曲线;
图中,1-氮气源、2-水蒸气发生器、3-等离子体发生器、4-气象色谱、5-氨气收集器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明,但本发明保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法,具体操作步骤如下:将水加入到水蒸气发生器2中,产生水气,水气与氮气源1中的氮气按照体积比1:1的比例混合,保持混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致,都是100℃,然后将混合气以50mL/min的流量通入到等离子发生器3中,其中等离子体发射器3为介质阻挡放电等离子体发生器,介质阻挡放电等离子体发生器的功率为1kW,经过180min的放电,经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线如图1所示,从图中可知随着时间的推移,氨气的浓度逐渐增加,且测得所得气体中没有检测到氧气,并通过氨气收集器5收集氨气。
实施例2
本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法,具体操作步骤如下:将水加入到水蒸气发生器2中,产生水气,水气与氮气源1中的氮气按照体积比1:99的比例混合,混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致,都是10℃,然后将混合气以1000mL/min的流量通入到等离子发生器3中,其中等离子体发射器3为微波诱导放电等离子体发生器,微波诱导放电等离子体发生器的功率为6kW,经过180min的放电,经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线如图2所示,从图中可知随着时间的推移,氨气的浓度逐渐增加,且测得所得气体中没有检测到氧气,并通过氨气收集器5收集氨气。
实施例3
本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法,具体操作步骤如下:将水加入到水蒸气发生器2中,产生水气,水气与氮气源1中的氮气按照体积比1:10的比例混合,混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致,都是50℃,然后将混合气以200mL/min的流量通入到等离子发生器3中,其中等离子体发射器3为射频放电等离子体发生器,射频放电等离子体发生器的功率为4kW,经过10min的放电,经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线,可知随着时间的推移,氨气的浓度逐渐增加,且测得所得气体中没有检测到氧气,并通过氨气收集器5收集氨气。
实施例4
本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法,具体操作步骤如下:将水加入到水蒸气发生器2中,产生水气,水气与氮气源1中的氮气按照体积比1:40的比例混合,混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致,都是80℃,然后将混合气以600mL/min的流量通入到等离子发生器3中,其中等离子体发射器3为电晕放电等离子体发生器,电晕放电等离子体发生器的功率为5kW,经过90min的放电,经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线,可知随着时间的推移,氨的浓度逐渐增加,且测得所得气体中没有检测到氧气,并通过氨气收集器5收集氨气。
Claims (2)
1.一种利用氮气和水合成氨的方法,其特征在于,具体操作步骤如下:将水气与氮气按照体积比为1:1~99的比例混合,混合气的温度控制在10~100℃,将混合气以50~1000mL/min的流量通入等离子体发生器,离子体发生器的功率为1~6kW,经过10~180min合成氨。
2.根据权利要求1所述利用氮气和水合成氨的方法,其特征在于,所述等离子体发生器为电晕放电等离子体发生器、介质阻挡放电等离子体发生器、射频放电等离子体发生器或微波诱导放电等离子体发生器。
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