CN117813259A - 模块化、可运输的清洁氢氨制造机 - Google Patents

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Abstract

利用空气、水和电源生产无水氨的集装箱式系统，包括集装箱式氢气生产装置，该氢气生产装置利用水源通过低温电解槽、高温电解槽、电池电解槽或其他方法生产氢气；集装箱式氮气生产装置，包括产生和储存加压空气的机载空气压缩和储存装置、变压吸附过程或其他使用再生分子的方法，不需要任何维护，它吸入压缩空气并通过一系列吸附和解吸过程产生氮气，或其他从空气中生产氮气的方法；集装箱式氨生产装置，包括气体增压器，气体增压器使用加压空气来增加氢气和氮气的混合物的压力；串联或并联接合的多反应器组装；以及将氨与未反应气体分离的再循环回路。

Description

模块化、可运输的清洁氢氨制造机
相关申请的交叉引用
该非临时申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2021年6月7日提交的美国临时申请第63/197,884号的权益，该申请特此通过引用明确并入本申请。
技术领域
本发明需要开发模块化、集装箱式、可运输的氢气和/或无水氨生产器，其仅利用空气、水和电力(特别是来自可再生能源的清洁电力)作为系统输入。
背景技术
传统的氢和/或氨合成被认为对环境有害，这是因为使用需要碳的碳氢化合物燃料，这导致在制造阶段中产生大量有害排放物。通过在高温高压下合成氮和氢来生产氨的方法在本领域中是陈旧的。在所述氨合成方法中用作初始产物的氢气和氮气可以多种方式制备。全球几乎所有现有的氨生产厂主要使用此类化石燃料通过哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺合成氨。此外，目前的氨合成需要集中生产，只有大型化工厂和工业才能合成这种广泛用于各个行业的重要化学品。鉴于上述情况，最近的技术集中于从空气和水中生产氨作为可持续原料的更清洁的方法(参见US2011/0243828A1、US2013/0039833A1、US2019/0092645A1)。然而，众所周知，从空气中提取的氮气(通过变压吸收或任何其他过程)和从水中提取的氢气(通过电解或任何其他过程)的混合物在升高的温度和压力下通过催化剂时，一小部分的气体转化为氨。
例如，在US2011/0243828A1中，发明人公开了一种使用活塞作为驱动力以产生压力并使用气缸作为加压容器以从空气和水产生氨的工艺方法，包括通过变压吸附从空气产生氮气；通过电解水产生氢气；在第一活塞缸中压缩氮气以产生加压氮气；在第二活塞缸内压缩氢气，产生加压氢气；在第三活塞缸中压缩加压氮气和氢气的混合物，在催化剂的存在下加热压缩的混合物以使氮气和氢气反应形成氨；并从混合物中提取氨。然而，众所周知，在没有润滑剂的情况下将活塞驱动到气缸中可能效率非常低，并且使用润滑剂会导致反应容器污染，从而影响氨产率。而且，此类机械部件的需要带来较高的维护成本，使得系统难以商业化且效率低下。
在US2013/0039833A1中，公开了一种氨生产工艺，涉及以空气和水作为原料，由可再生能源(例如风能)提供动力。所公开的方法利用电解过程，其中通过提供电源将水分解成氢气和氧气。通过变压吸附过程从空气中提取氮气。在这里，氮气和氢气混合形成合成气流。未反应的气流被压缩至高压，然后在进入反应器之前与再循环的反应的合成气混合。然后通过与较冷的流体(例如未反应的合成气流或环境水)间接热交换，将已反应的合成气冷却至氨露点以下。冷却降低了压力并使氨冷凝成液体形式。然而，US2013/0039833A1的系统不包括预热器，因此氨反应不是在理想的温度和压力下进行。
US2019/0092645A1中，采用电解法合成氨，其中合成的氨基本不含氢，结合使用膜分离或PSA的氨分离和回收处理。相反，US2019/0092645A1利用在含有水和氮气的电解反应器中直接电化学合成氨。在此，使用通过电解法对水进行电解的反应器，使生成的氢离子与氮彼此反应来合成氨。然而，直接从水中合成氨或用科学术语“电化学”合成氨在商业环境中是不可行的。直接从水中合成氨的科学突破是可以实现的，但氨的产率太低，并且能源消耗在规模化方面是不可接受的。例如，氨合成反应的标准电化学势为1.127伏，而水电解的标准电化学势为1.23伏。氨合成和水电解的理论电池电势非常接近，这成为水和氮直接合成氨需要解决的实际问题。在实际设置中，合成氨的电池势远高于生产氢气的电池势。因此，从热力学角度来看，制氢反应总是比合成氨反应更有利。
此外，其他氨合成开发包括集成系统和其他分离过程方法(例如，参见CN 2021/111498868B、EP 2013/2610453 A1、US2012/0100062 A1、US 2006/0243585)。
而且，在现有技术中众所周知，当尝试使用冷凝分离方法例如膜分离或变压吸附时，当要在渗透侧或非吸附侧回收氨时，难以将氨与氢气分离，并且当在非渗透侧或吸附侧回收氨时也很难将氨与氮气分离，导致氨回收率极大降低。
与上面讨论的氨合成发展相比，本发明是一种独特的发明，其具有集装箱式、模块化和可运输的氢氨合成器。换句话说，所开发的系统是一个集装箱式、可运输尺寸的无水氨合成器(具有灵活的生产能力)，可以用作使用可再生能源电力的清洁氢氨系统。氨合成通常在大型工业工厂和设施中进行，因此，本系统将允许模块化生成氢-氨，而不是依赖大型工厂在需要的地方生产、储存和运输氨。本发明实现了一种工作原型，该原型提供了一种模块化、可运输、高效、可靠、集装箱式、环境友好且可持续的氨生产方法，该方法可以帮助克服目前与传统的氨生产技术相关联的有害环境排放、低效转换实践和集中生产要求的挑战。
发明内容
在本发明的一个实施方案中，开发了新型模块化集装箱式氢氨生产装置，其能够以环境友好、模块化、可运输、分散且方便的方法生产氨。该系统提供了克服当前集中式氢和氨合成设施所面临的挑战的潜力。目前，氢和氨的常规合成仅发生在大型棒式化工厂中。这种集中生产方法给氨的运输和储存带来了一些问题和挑战。因此，本发明的氨生产装置通过其可运输性来帮助解决这些挑战，该可运输性允许其被带到任何需要氨的地方。在该实施方案中，本文提供的系统包括形成可运输氢和氨系统的单个集装箱式系统或多个集装箱式子系统。许多市售运输容器可适用于由本领域技术人员运输和部署本文提供的系统(参见例如U.S.2013/0233755A1和WO2006/045077)。利用本文提供的本系统和方法，不需要将氢和氨从制造地点运输到应用点。
“集装箱式”一词通常涵盖用于将货物从一个地点运输到另一个地点的商业建造的集装箱。商业船运集装箱可以具有不同的标准尺寸和分类。例如，船运集装箱的标准尺寸为10英尺、20英尺、30英尺、40英尺和45英尺，其中此类集装箱的分类可能包括但不限于：ATEX认证防爆、1级分区1和2/1级(Class 1Div.1&2/Class 1)，区1和2/3级(Zone 1&2/Class3)，分区1和2(Div.1&2)。术语“可运输”通常涉及运输或船运的方法，包括空运、水运或陆运。
此外，本发明的系统通过使用空气和水作为输入以环境友好的方式合成氢气和无水氨。因此，本发明克服了与当前氨合成工厂相关的大量排放因子。本发明的氨生产装置利用新的设计方法和系统集成技术以集装箱化的商业方式清洁合成氨。氨合成所需的氢气是通过最先进的低温电解槽、高温电解槽、电池电解槽(battolyser)或通过其他从液体/蒸汽介质生产氢气的方法获得的，其中生产的氢气的最低纯度为99.995％。另外，氨合成所需的氮气是通过变压吸附(PSA)工艺或其他制氮方法获得的，该方法吸入加压空气，通过一系列吸附和解吸过程产生氮气，或其他此类从空气生产氮气方法，其中所生产的氮气纯度最低为99.995％。生产的氢气和氮气在一系列膨胀/缓冲罐中干燥，要么加压至反应压力，要么在相同压力下混合并升压至反应压力，然后通过机载混合气体增压机构在氨合成所需的单独容器中加热至反应温度。缓冲罐用于储存反应压力下的氢气和氮气，并且可以利用连接到液压罐的压缩蓄能器系统来进一步维持理想的反应压力。此外，具有合适催化剂的顶部开放配置的氨合成反应器产生氨气。本发明的模块化清洁氨合成系统可涉及包括级联反应器配置和并联反应器配置的两种不同的系统操作技术。多反应器组件可以是一组串联或并联的反应器，适合控制生产并最大化氨的产率。反应器废气经过一系列热交换器和冷凝器，使氨液化并与未反应的混合物分离。在替代方案中，反应器废气经过热交换器以重新加热再循环气体，并在冷却废气的同时加热新的输入气体。这一过程将允许系统通过使用反应热作为新能源而继续运行，而无需进一步增加热量，从而进一步减少所需的能量。
本发明的一个实施方案涉及用于从空气和水生产无水氨的集装箱式系统，包括：现有技术的低温电解槽、高温电解槽、电池电解槽或通过其他此类从液体/蒸汽介质生产氢气的方法，其中产生的氢气的最低纯度为99.995％；从空气中提取氮气的变压吸附空气分离装置；产生加压空气的空气压缩机；混合气体增压机，利用加压空气对氢气和氮气的混合物进行升压；多个反应器，其中第一反应器预热来自气体增压器的氢气和氮气的混合物，并且多反应器组件装载有催化剂，用于催化预热的氢气和氮气的混合物以在理想的压力和温度下形成氨；以及将氨与未反应气体分离的再循环回路。
该实施方案还可以包括具有潜水泵的储水器，该潜水泵将水泵送通过空气压缩机以进行冷却；第一管线，使经空气压缩机加热的水离开空气压缩机并进入电解槽，将热水转化为氢气；以及第二管线，使未反应的水和氧气离开电解槽并返回储水器。
再循环回路可包括将氨气冷凝成液氨的风冷或水冷冷凝器；以及第三管线，其允许未反应的气体返回至气体增压器或第一反应器。再循环回路还可包括并联连接在收集容器底部的一个或多个无水氨收集容器，以允许无水氨沉降在两个收集容器中并保持收集容器中的压力平衡。另一方面，再循环回路可包括基于吸收冷却系统的制冷装置，其通过系统中的废热运行并液化氨气；以及第三管线，其允许未反应的气体返回至气体增压器或第一反应器。
该实施方案还可包括储存来自空气压缩机的加压空气的压缩空气储存罐。气体增压器的出口可以连接到第一反应器或催化剂反应器组件排气热交换器的加热侧，其中氢气和氮气的混合物被预热以产生氨，并且第一反应器的出口可以是在合适的催化剂存在下连接到多反应器组件，其中氢气和氮气的混合物在200℃至350℃的合适温度范围和100巴至200巴的压力范围下进一步转化为氨。多反应器组件可以是一组串联或并联接合的反应器，适合控制生产并最大化氨的产率。相应地，热交换器的冷却侧可用于在进入上述氨冷凝系统之前冷却来自催化剂反应器的排出气体。
本发明的另一个实施方案涉及用于从空气和水中生产氨的集装箱式方法，包括：利用水电解槽从水中生产氢气；利用变压吸附空气分离装置从空气中提取氮气；利用空气压缩机产生加压空气；利用气体增压器使用所述加压空气来增加氢气和氮气的混合物的压力；在第一反应器中预热来自所述气体增压器的氢气和氮气的混合物；在装载有催化剂的第二反应器中催化预热的氢气和氮气的混合物形成氨；以及在再循环回路中将氨与未反应的气体分离。
本实施方案还可以包括：通过所述空气压缩机抽吸蓄水池中的水，用潜水泵进行冷却；使所述空气压缩机加热后的水排出所述空气压缩机，进入所述电解槽，将加热后的水转化为氢气；以及使未反应的水和氧气离开所述电解槽并返回所述储水器。预热步骤还可以包括增加氢气和氮气的混合物的压力。
分离步骤可以包括：将氨气在风冷冷凝器或水冷冷凝器中冷凝成液氨；以及使所述未反应的气体返回所述气体增压器或所述第一反应器。分离步骤还可包括：使液氨沉降在并联连接的一个或多个氨收集容器的底部，其中所述收集容器中的压力保持平衡。另一方面，分离步骤可以包括：利用基于吸收冷却系统的制冷装置液化氨气，该制冷装置通过系统中的废热进行操作；并使未反应的气体返回气体增压器或第一反应器。
该实施方案还可包括将来自空气压缩机的加压空气储存在压缩空气储罐中。气体增压器的出口可以连接至第一反应器，在第一反应器中氢气和氮气的混合物被预热并产生氨，并且第一反应器的出口可以连接至多反应器组件，在多反应器组件中氢气和氮气的混合物被进一步转化成氨。另一方面，气体增压器的出口可连接至预热器和多反应器组件两者。多反应器组件中的催化剂可以是多床催化剂。多反应器组件可以是一组串联或并联接合的反应器，适合控制生产并最大化氨的产率。为了在不同的负载下运行，意味着打开和关闭或改变系统的负载，需要一组能够快速响应变化的反应器。问题源于反应器内的气体到气体的热传递。为了具有快速响应，反应器的热传递必须设计成对加热具有快速响应。反应器的尺寸取决于催化剂负载、反应速率、温度和压力以及反应物的浓度。理想情况下，小型反应器由于其高壁体积比而有利于催化剂合成；然而，它们的加工量较小。因此，术语“多反应器组件”包括设定数量的小型反应器，其中氨的生产率很大程度上取决于组装在一起的反应器的数量。
从下文给出的详细描述中，本发明的进一步的适用范围将变得显而易见。然而，应当理解的是，详细描述和具体实施例虽然指示了本发明的优选实施方案，但仅以说明的方式给出，因为对于普通技术人员来说，在本发明的精神和范围内的各种改变和修改根据该详细描述将是显而易见的。
附图说明
从下面给出的详细描述和附图将更全面地理解本发明，这些详细描述和附图仅以说明的方式给出，并不限制本发明。在附图中，相同的附图标记用于指示各个视图中的相同特征。
图1是表示本发明的总体工艺流程的示意图。
图2示出了本发明的能量密集度较低的氨吸附工艺的另一个实施方案。
图3是本发明的具有骤冷的级联反应器配置的示意图。
图4是本发明的并联反应器系统操作配置的示意图。
图5是本发明的具有热回收的氨移送机(ammonia skid)的示意图。
图6描绘了本发明的氨间歇工艺和具有多个输出的配置。
图7是通过使用本发明的可运输氨生产装置进行盐生产和碳捕获的示意图。
具体实施方式
本发明的集装箱式、可运输的绿色氨生产装置从空气、水和电力输入生产无水氨。优选的系统被独特地设计成将所有组件封装在从20英尺集装箱到许多集装箱的隔室尺寸内，并且仅以电、水和空气作为输入来操作。然而，更大或更小的可运输构造也是可能的，这取决于期望的输出，优选地在50千克/天到1000千克/天之间。
图1为本发明的整体工艺流程示意图。
空气入口200允许空气(优选地在室温和大气压下)进入空气压缩和储存装置210。空气压缩和储存装置210吸入大气并对其加压。空气压缩和储存装置210可以储存高压空气，优选10至100巴，更优选70至100巴。然后可以根据需要将空气调节至较低压力。例如，可以在4-30巴、优选4-5巴下使用空气。需要该压力来进行吸附过程，然后进行解吸过程。压缩和储存装置210可以是往复式压缩机或螺杆式压缩机。空气压缩和储存装置210对大气进行加压并经由入口220将其发送到氮气生产装置(NPU)225。入口220以调节后的压力(优选地3-6巴)向NPU 225提供空气。NPU 225提供基于吸附的空气中氧气和氮气的分离。吸附剂可以是碳分子筛、沸石或其他合适的吸附剂。例如，NPU 225可以包括填充有碳分子筛的封闭容器。容器内的加压气氛和分子筛的存在可以吸附空气中的氧分子。因此，一旦氧分子被吸附，剩余的氮分子就被允许离开容器并进入另一个封闭的隔室。氮气经由NPU出口240离开NPU 225并进入膨胀罐245。NPU出口240中的氮气优选为26-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％并且处于露点5ppm或更低的露点。膨胀罐245中的氮气稍微冷却，优选冷却至25-40℃。膨胀罐245可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。膨胀罐245可以包含筛分子以干燥氮气，并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氮气就通过氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245。
水入口300允许水(优选地在室温和3-5巴下)进入水处理和储存装置310。水可以是纯水。如果水处理过程与系统集成，则水也可以是盐水、海水、咸水或废水。因此，水处理和储存装置310可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程。然后，水经由水处理和储存装置出口320离开水处理和储存装置310，优选地在30-60℃的温度和3-5巴的压力下，并进入氢气生产装置(HPU)325，产生机载氢气。氢气生产装置325可以是低温电解槽、高温电解槽、电池电解槽或通过从液体/蒸汽介质生产氢气的其他此类方法，其中所生产的氢气具有99.995％的高纯度。
氢气生产装置325可以是在本发明的系统中以独特的方法使用的低温PEM电解槽，其中首先通过利用废热来预热水。增加氢气生产装置325的输入水的温度有助于提高氢气生产速率以及整个系统的效率。因此，可以采用新的水循环设计，其向空气压缩和储存装置210提供冷却并充当氢气生产装置325的输入以增强氨合成期间的氢气生产。氢气生产装置325优选为高压PEM电解槽，其可以在2-50巴(更优选10-50巴)的压力下将氢气引入系统中，但确切的压力由所选电解槽的类型的额定输出确定。在PEM电解槽中，使用磺化聚苯乙烯等固体电解质。放置由Nafion制成的膜以分隔阳极室和阴极室。膜的作用是将氢与氧分离，同时允许H+的传输。在阳极，H2O，而在阴极，H2O用于降低电解槽的温度。这是通过在两个隔室中循环水来完成的。氢气生产装置325中的温度优选为25-46℃。
氢气经由HPU出口340离开氢气生产装置325。氢气优选处于25-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％并且露点为5ppm或更低。然后氢气进入氢气膨胀罐355。氢气膨胀罐355可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2立方米的体积。氢气膨胀罐355可以包含五氧化二磷以干燥氢气并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氢气就通过氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355。氢气的压力可以通过压力调节器来调节。
经由氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245的氮气和经由氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355的氢气均在25-40℃和10-50巴下进入氮气和氢气输入端401。膨胀罐245和氢气膨胀罐355可用于以每3摩尔氢气1摩尔氮气的化学计量比控制气体流入氮气和氢气输入端401。该比率接近最佳，但其他比率也是可能的。不同的比例会产生不同的量。通过使用质量流量控制器和电磁阀，可以得到每3摩尔氢气1摩尔氮气的摩尔比的反应混合物。氮气质量流量控制器可以控制氮气的流速，并且氢气质量流量控制器可以控制氢气流速。
适当摩尔比的氢气和氮气的反应混合物进入混合气体增压器。气体增压器将反应混合物压力从约4巴至30巴(优选25巴至30巴)增加至约90巴至180巴，优选145巴加或减10巴(更优选135巴至150巴)。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。气体增压器也可以用混合气体压缩机代替，以高压压缩氢气和氮气的混合物。氢气压缩机还将消除本发明的系统对压缩空气储罐的需要。
然后混合气体经由混合气体增压器出口408离开气体增压器，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制。然后混合气体通过预热器入口429进入预热器460，预热器460配备有加热功率在10至100kW之间(优选在10至40kW范围内)的电加热器。预热器460可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.1m3的体积并且形状为管状。预热器460可由不锈钢制成。预热器460将混合气体的温度和压力升高，优选升高至250-450℃和100-300巴。离开预热器460的气体的优选操作温度是300℃加或减10℃。然而，温度和压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的温度和压力。然后加热的混合气体经由预热器出口470离开预热器460，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并进入氨反应器480。
氨反应器组件480可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.8m3的体积(优选在0.008至0.1m3的范围)并且形状为管状。反应器480优选由316不锈钢材料或其他合适的材料制成，其尺寸由所需的处理速率确定。为了每天处理100公斤的产量，反应器可以具有大约1至2米的长度和大约10至20厘米的直径。为了处理每天300公斤的产量，5个反应器可以具有大约1至2米的长度和大约10至20厘米的直径，这些反应器以最佳布置连接，优选串联或并联。反应器含有催化剂。催化剂床是轴向径向圆柱形篮，具有开放的筛网顶部，可以插入胶囊中。胶囊将催化剂篮与压力容器壁分开(用于冷却，甚至沿着壁进行热传递)。对于顶部开放式配置反应器，优选径向流。该胶囊简化了催化剂的装载和卸载操作。该催化剂对氧气非常敏感，在将其加载到系统中时需要仔细考虑。因此，使用上述设计描述，催化剂可以在正确的条件下(例如氮气气氛，筛分以除去任何灰尘并通过密集装载机装载以确保床层之间的均匀性)装载到系统外部，并且可以转移并插入到反应器。由于老化和闲置，约25年后进行维护。
此外，反应器480内的温度和压力可以通过温度和压力传感器记录。反应器480可以覆盖有加热功率在10至100kW之间的电炉，该电炉利用电力和加热线圈产生热能，根据所需的反应条件将热能传递至反应器。该热能可在启动和催化剂活化期间使用。氨合成过程本质上是放热的，并且当产生氨时，产生的热用于将反应器480维持在高反应温度。反应器480填充有有助于合成过程的氨合成催化剂，例如基于磁铁矿的商用催化剂。有几种可能的市售催化剂。较低的合成压力和温度对于节省能源是有利的，并且可以通过能够在低温和压力下运行的催化剂来实现。例如，添加到氧化铁催化剂中的促进剂在一系列不同的操作温度和压力下显示出催化剂结构和性能的巨大改进。此外，有色催化剂，例如用MgAl2O4、Al2O3、MgO以及铯和钡的不同混合物促进的钌催化剂，被证明对于低温低压氨合成是有效的。这些有助于已知的氨工艺的商业化，例如KAAP工艺和KBR工艺。
氨以及未反应的氢气和氮气经由反应器出口490离开反应器480，其中压力和流量可以分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并且进入冷却盘管495。冷却盘管495的形状和尺寸可以变化，但优选为螺旋盘管。冷却盘管495将氨以及未反应的氢气和氮气的温度降低至50-200℃。然后，氨以及未反应的氢气和氮气经由冷却盘管出口500离开冷却盘管495并进入冷凝器510。
冷凝器510可以是空气冷却器、水冷却器或基于制冷剂的冷却器，并且可以具有0.1-0.8平方米(优选地在0.1至0.5平方米的范围内)的表面积。冷凝器510包括冷凝器组件入口540，其中制冷剂可进入冷却器550，然后经由冷凝器组件出口560离开冷却器550。制冷剂可以是空气、水或其他制冷剂(例如，R134A、R33等)。冷却器550可以使用蒸汽压缩或蒸汽吸收冷却循环。蒸汽压缩循环通过电力输入进行操作。蒸气吸收循环通过热量输入进行操作。冷凝器部件出口560中的制冷剂的压力和温度将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-20至-5℃(更优选为-10至-5℃)和5至10巴。冷凝器部件入口540中的制冷剂的压力和温度也将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-5至1℃和1至5巴。
冷凝器510将未反应的氢气和氮气中产生的氨分离。由于合成反应器480在约90-155巴、优选145巴加或减10巴的高压下操作，所以产生的氨通过冷凝器510冷凝。然而，压力不受特别限制并且基于系统中选择的其他部件的类型可以是任何合适的压力。当氨的冷凝温度随压力升高时，其在冷凝器510中液化，根据转化率，冷凝器510需要氨的分压。液氨从混合物中分离出来并通过分离器入口600沉降在分离器620中。剩余的未反应的氢气和氮气被再循环并通过未反应气体出口428送回到入口429。由于未反应的氢气和氮气比预热器460处于更高的压力，气体可以被再循环而不需要另一个气体压缩机。因此，通过这种新方法，未反应的气体被回收，产生的氨被分离，而不需要额外的制冷系统。
分离器620可以是体积为0.005至0.5m3(更优选在0.005至0.05m3的范围)的闪蒸罐。然后氨经由分离器出口650离开分离器620到达储存装置。分离器620的出口压力可根据所需的储存压力经由调节阀改变。
发电和储存装置800向任何需要电力的系统部件提供电力。例如，发电装置可以包括逆变器和电池集成系统。装置800可以使用任何电力来源，包括可再生能源，例如风能、太阳能、潮汐能、地热能和水能。需要电输入的系统部件包括经由电输入840的HPU 325、经由电输入810的NPU 225、经由电输入820的空气压缩和储存装置210、经由电输入830的预热器460以及经由电输入850的水处理和储存装置310。这些部件可通过电连接件连接以形成可用于为机器供电的一个连接件。因此，模块化氨生产装置可以方便地运输到任何有电源的地方，并且可以连接起来生产氨。
本发明的另一个实施方案如图2所示，这是能耗较低的过程。
类似于图1，空气入口200允许空气(优选地在室温和大气压下)进入空气压缩和储存装置210。空气压缩和储存装置210吸入大气并对其加压。空气压缩和储存装置210可以储存高压空气，优选地在10巴至100巴的范围内，更优选地在70巴至100巴的范围内。然后可以根据需要将空气调节至较低压力。例如，可以在4-30巴、优选4-5巴下使用空气。需要该压力来进行吸附过程，然后进行解吸过程。压缩和储存装置210可以是往复式压缩机或螺杆式压缩机。空气压缩和储存装置210对大气进行加压并经由入口220将其发送到氮气生产装置(NPU)225。入口220以调节后的压力(优选地3-6巴)向NPU 225提供空气。NPU 225提供基于吸附的空气中氧气和氮气的分离。吸附剂可以是碳分子筛、沸石或其他合适的吸附剂。例如，NPU 225可以包括填充有碳分子筛的封闭容器。容器内的加压气氛和分子筛的存在可以吸附空气中的氧分子。因此，一旦氧分子被吸附，剩余的氮分子就被允许离开容器并进入另一个封闭的隔室。氮气经由NPU出口240离开NPU 225并进入膨胀罐245。NPU出口240中的氮气优选为26-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％并且处于露点5ppm或更低的露点。膨胀罐245中的氮气稍微冷却，优选冷却至25-40℃。膨胀罐245可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。膨胀罐245可以包含筛分子以干燥氮气，并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氮气就通过氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245。
水入口300允许水(优选地在室温和3-5巴下)进入水处理和储存装置310。水可以是纯水。如果水处理过程与系统集成，则水也可以是盐水、海水、咸水或废水。因此，水处理和储存装置310可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程，其中输出水可用于产生氢气。然后水经由水处理和储存装置出口320离开水处理和储存装置310，优选地在30-60℃的温度和3-5巴的压力下，并且进入氢气生产装置(HPU)325产生机载氢气。在HPU 325中，水通过电化学方式分解成氧气和氢气。氢气生产装置325可以是低温电解槽、高温电解槽、电池电解槽或通过从液体/蒸汽介质生产氢气的其他此类方法，其中所生产的氢气具有99.995％的高纯度。
氢气生产装置325可以是在本发明的系统中以独特的方法使用的低温AEM电解槽，其中首先通过利用废热来预热水。增加氢气生产装置325的输入水的温度有助于提高氢气生产速率以及整个系统的效率。因此，可以采用新的水循环设计，其向空气压缩和储存装置210提供冷却并充当氢气生产装置325的输入以增强氨合成期间的氢气生产。氢气生产装置325优选为高压AEM电解槽，其可以在2-50巴(更优选10-50巴)的压力下将氢气引入系统中，但确切的压力由所选电解槽的类型的额定输出确定。氢气生产装置325内的温度优选为25至46℃的范围。
氢气经由HPU出口340离开氢气生产装置325。氢气优选处于25-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％并且露点为5ppm或更低。然后氢气进入氢气膨胀罐355。氢气膨胀罐355可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2立方米的体积。氢气膨胀罐355可以包含五氧化二磷以干燥氢气并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氢气就通过氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355。氢气的压力可以通过压力调节器来调节。
经由氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245的氮气和经由氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355的氢气均在25-40℃和10-50巴下进入氮气和氢气输入端401。膨胀罐245和氢气膨胀罐355可用于以每3摩尔氢气1摩尔氮气的化学计量比控制气体流入氮气和氢气输入端401。该比率接近最佳，但其他比率也是可能的。不同的比例会产生不同的量。通过使用质量流量控制器和电磁阀，可以得到每3摩尔氢气1摩尔氮气的摩尔比的反应混合物。氮气质量流量控制器可以控制氮气的流速，并且氢气质量流量控制器可以控制氢气流速。
适当摩尔比的氢气和氮气的反应混合物进入混合气体增压器。气体增压器将反应混合物压力从约4巴至30巴(优选25巴至30巴)增加至约80巴至280巴，优选145巴加或减10巴(更优选135巴至150巴)。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。气体增压器也可以用混合气体压缩机代替，以高压压缩氢气和氮气的混合物。氢气压缩机还将消除本发明的系统对压缩空气储罐的需要。
然后混合气体经由混合气体增压器出口408离开气体增压器，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制。然后混合气体经由预热器入口429进入预热器460，预热器460配备有10至100kW(优选在10至40kW范围内)的电加热器。预热器460可以是任何期望的尺寸，但优选具有的体积为0.008至0.8m3(更优选在0.008至0.1m3的范围)并且形状为管状。预热器460可由不锈钢制成。预热器460将混合气体的温度和压力升高，优选升高至250-450℃和80-280巴(优选在100至280巴的范围内)。离开预热器460的气体的优选操作温度是300℃加或减10℃。然而，温度和压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的温度和压力。然后加热的混合气体经由预热器出口470离开预热器460，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并进入氨反应器480。
氨反应器480可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.8m3的体积(优选在0.008至0.1m3的范围)并且形状为管状。反应器480优选由316不锈钢材料或其他合适的材料制成，其尺寸由所需的处理速率确定。为了每天处理100公斤的产量，反应器的长度可以约为1至2米，直径约为10至20厘米。为了处理每天300公斤的产量，5个反应器可以具有大约1至2米的长度和大约10至20厘米的直径，这些反应器以最佳布置连接，优选串联或并联。反应器含有催化剂。催化剂床是轴向径向圆柱形篮，具有开放的筛网顶部，可以插入胶囊中。胶囊将催化剂篮与压力容器壁分开(用于冷却，甚至沿着壁进行热传递)。对于顶部开放式配置反应器，优选径向流。该胶囊简化了催化剂的装载和卸载操作。该催化剂对氧气非常敏感，在将其加载到系统中时需要仔细考虑。因此，使用上述设计描述，催化剂可以在正确的条件下(例如氮气气氛，筛分以除去任何灰尘并通过密集装载机装载以确保床层之间的均匀性)装载到系统外部，并且可以转移并插入到反应器。由于老化和闲置，约25年后进行维护。
此外，反应器480内的温度和压力可以通过温度和压力传感器记录。反应器480可以覆盖有电炉，该电炉利用电力和加热线圈产生热能，根据所需的反应条件将热能传递至反应器。该热能可在启动和催化剂活化期间使用。氨合成过程本质上是放热的，并且当产生氨时，产生的热用于将反应器480维持在高反应温度。反应器480填充有有助于合成过程的氨合成催化剂，例如基于磁铁矿的商用催化剂。有几种可能的市售催化剂。较低的合成压力和温度对于节省能源是有利的，并且可以通过能够在低温和压力下运行的催化剂来实现。例如，添加到氧化铁催化剂中的促进剂在一系列不同的操作温度和压力下显示出催化剂结构和性能的巨大改进。此外，有色催化剂，例如用MgAl2O4、Al2O3、MgO以及铯和钡的不同混合物促进的钌催化剂，被证明对于低温低压氨合成是有效的。这些有助于已知的氨工艺的商业化，例如KAAP工艺和KBR工艺。
氨以及未反应的氢气和氮气经由反应器出口490离开反应器480，其中压力和流量可以分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并且进入冷却盘管495。冷却盘管495的形状和尺寸可以变化，但优选为螺旋盘管。冷却盘管495将氨以及未反应的氢气和氮气的温度降低至50-200℃。然后，氨以及未反应的氢气和氮气经由冷却盘管出口500离开冷却盘管495并进入氨变压吸附(PSA)装置551。
PSA装置551可以利用诸如MgCl2的吸附剂来在压力下吸附氨。因此，与图1的过程相比，该过程的能量减少了，因为取消了需要高能耗的冷凝器和冷却器。吸附剂经由氨PSA入口552进入PSA装置551。然后氨经由氨PSA出口553收集并储存。因此，PSA装置551将未反应的氢气和氮气中产生的氨分离。剩余的未反应的氢气和氮气被再循环并经由未反应气体出口554送回到预热器入口429。由于未反应的氢气和氮气处于比预热器460更高的压力下，所以气体可以被再循环而不需要另一种气体压缩机。因此，通过这种新方法，未反应的气体被回收，产生的氨被分离，而不需要额外的制冷系统。
发电和储存装置800向任何需要电力的系统部件提供电力。装置800可以使用任何电力来源，包括可再生能源，例如风能、太阳能、潮汐能、地热能和水能。需要电输入的系统部件包括经由电输入840的HPU 325、经由电输入810的NPU 225、经由电输入820的空气压缩和储存装置210、经由电输入830的预热器460以及经由电输入850的水处理和储存装置310。这些部件可通过电连接件连接以形成可用于为机器供电的一个连接件。因此，模块化氨生产装置可以方便地运输到任何有电源的地方，并且可以连接起来生产氨。
本发明的另一个实施方案如图3所示，其提供了具有骤冷的级联反应器配置。图3的级联系统配置通过增加氮转化率提供了氨合成速率的增加。如图3所示，气体增压器出口连接至反应器440，其中输入反应气体达到高压和高温并产生氨。反应器440的出口被送至反应器480，其中氢气和氮气进一步转化为氨。
类似于图1，空气入口200允许空气(优选地在室温和大气压下)进入空气压缩和储存装置210。空气压缩和储存装置210吸入大气并对其加压。空气压缩和储存装置210可以储存高压空气，优选地在10巴至100巴的范围内，更优选地在70巴至100巴的范围内。然后可以根据需要将空气调节至较低压力。例如，可以在4-30巴、优选4-5巴下使用空气。需要该压力来进行吸附过程，然后进行解吸过程。压缩和储存装置210可以是往复式压缩机或螺杆式压缩机。空气压缩和储存装置210对大气进行加压并经由入口220将其发送到氮气生产装置(NPU)225。入口220以调节后的压力(优选地3-6巴)向NPU 225提供空气。NPU 225提供基于吸附的空气中氧气和氮气的分离。吸附剂可以是碳分子筛、沸石或其他合适的吸附剂。例如，NPU 225可以包括填充有碳分子筛的封闭容器。容器内的加压气氛和分子筛的存在可以吸附空气中的氧分子。因此，一旦氧分子被吸附，剩余的氮分子就被允许离开容器并进入另一个封闭的隔室。氮气经由NPU出口240离开NPU 225并进入膨胀罐245。NPU出口240中的氮气优选为26-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％，但优选达到99.999％，并且处于露点5ppm或更低的露点。膨胀罐245中的氮气稍微冷却，优选冷却至25-40℃。膨胀罐245可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。膨胀罐245可以包含筛分子以干燥氮气，还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氮气就通过氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245。
水入口300允许水(优选地在室温和3-5巴下)进入水处理和储存装置310。水可以是纯水。如果水处理过程与系统集成，则水也可以是盐水、海水、咸水或废水。因此，水处理和储存装置310可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程。然后水经由水处理和储存装置出口320离开水处理和储存装置310，优选地在30-60℃的温度和3-5巴的压力下，并且进入氢气生产装置(HPU)325产生机载氢气。氢气生产装置325可以是基于质子交换膜(PEM)、碱性、光电化学、CuCl或MgCl2的氢气生产工艺，其中可以实现99.995％的氢气纯度。
氢气生产装置325可以在本发明的系统中以独特的方法使用，其中首先通过利用废热来预热水。增加氢气生产装置325的输入水的温度有助于提高氢气生产速率以及整个系统的效率。因此，可以采用新的水循环设计，其向空气压缩和储存装置210提供冷却并充当氢气生产装置325的输入以增强氨合成期间的氢气生产。氢气生产装置325优选为高压PEM电解槽，其可以在2-50巴(更优选地在10-50巴的范围)的压力下将氢气引入系统中，但确切的压力由所选电解槽的类型的额定输出确定。氢气生产装置325内的温度优选为25至46℃。
氢气经由HPU出口340离开氢气生产装置325。氢气优选处于25-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％，但优选地达到99.999％，并且露点为5ppm或更低。然后氢气进入氢气膨胀罐355。氢气膨胀罐355可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2立方米的体积。氢气膨胀罐355可以包含五氧化二磷以干燥氢气并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氢气就通过氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355。氢气的压力可以通过压力调节器来调节。
经由氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245的氮气和经由氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355的氢气均在20-30℃和10-50巴下进入氮气和氢气输入端401。膨胀罐245和氢气膨胀罐355可用于以每3摩尔氢气1摩尔氮气的化学计量比控制气体流入氮气和氢气输入端401。该比率接近最佳，但其他比率也是可能的。不同的比例会产生不同的量。通过使用质量流量控制器和电磁阀，可以得到每3摩尔氢气1摩尔氮气的摩尔比的反应混合物。氮气质量流量控制器可以控制氮气的流速，并且氢气质量流量控制器可以控制氢气流速。
适当摩尔比的氢气和氮气的反应混合物进入混合气体增压器。气体增压器将反应混合物压力从约4巴至30巴(优选25巴至30巴)增加至约80巴至280巴，优选145巴加或减10巴(更优选135巴至150巴)。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。气体增压器也可以用混合气体压缩机代替，以高压压缩混合的氢气和氮气。混合气体压缩机还将消除本发明的系统对压缩空气储罐的需要。
然后混合气体经由混合气体增压器出口404离开气体增压器，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制。然后混合气体进入三通阀，该三通阀通过入口407连接到反应器440并通过入口406连接到反应器480。入口407中的混合气体然后通过反应器入口423进入反应器440。入口406中的混合气体通过反应器入口442进入反应器480。
反应器440和480可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.8m3的体积(优选在0.008至0.1m3的范围内)并且形状为管状。反应器440和480优选由316不锈钢材料或其他合适的材料制成，其尺寸由所需的处理速率确定。为了每天处理100公斤的产量，反应器的长度可以约为1至2米，直径约为10至20厘米。反应器含有催化剂。催化剂床是轴向径向圆柱形篮，具有开放的筛网顶部，可以插入胶囊中。胶囊将催化剂篮与压力容器壁分开(用于冷却，甚至沿着壁进行热传递)。对于顶部开放式配置反应器，优选径向流。该胶囊简化了催化剂的装载和卸载操作。该催化剂对氧气非常敏感，在将其加载到系统中时需要仔细考虑。因此，使用上述设计描述，催化剂可以在正确的条件下(例如氮气气氛，筛分以除去任何灰尘并通过密集装载机装载以确保床层之间的均匀性)装载到系统外部，并且可以转移并插入到反应器。由于老化和闲置，约25年后进行维护。
此外，反应器440和480内的温度和压力可以通过温度和压力传感器记录。反应器440和480可以覆盖有电炉，该电炉利用电力和加热线圈产生热能，根据所需的反应条件将热能传递至反应器。该热能可在启动和催化剂活化期间使用。氨合成过程本质上是放热的，并且当产生氨时，产生的热用于将反应器440和480维持在高反应温度。反应器440和480填充有有助于合成过程的氨合成催化剂，例如基于磁铁矿的商用催化剂。有几种可能的市售催化剂。较低的合成压力和温度对于节省能源是有利的，并且可以通过能够在低温和压力下运行的催化剂来实现。例如，添加到氧化铁催化剂中的促进剂在一系列不同的操作温度和压力下显示出催化剂结构和性能的巨大改进。此外，有色催化剂，例如用MgAl2O4、Al2O3、MgO以及铯和钡的不同混合物促进的钌催化剂，被证明对于低温低压氨合成是有效的。这些有助于已知的氨工艺的商业化，例如KAAP工艺和KBR工艺。
氨以及未反应的氢气和氮气经由反应器出口441离开反应器440，然后与新鲜进料流406混合并骤冷，然后经由反应器入口442进入反应器480。骤冷过程可以将反应物温度降低10至40℃(优选在10-20℃的范围内)，无需热交换器。
氨以及未反应的氢气和氮气经由反应器出口485离开反应器480，其中压力和流量可以分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并且进入冷却盘管495。冷却盘管495的形状和尺寸可以变化，但优选为螺旋盘管。冷却盘管495将氨以及未反应的氢气和氮气的温度降低至50-200℃。然后，氨以及未反应的氢气和氮气经由冷却盘管出口500离开冷却盘管495并进入冷凝器510。
冷凝器510可以是空气冷却器、水冷却器或基于制冷剂的冷却器，并且可以具有0.1-0.8平方米(优选地在0.1至0.5平方米的范围内)的表面积。冷凝器510包括冷凝器部件入口540，其中制冷剂可进入冷却器550，然后经由冷凝器部件出口560离开冷却器550。制冷剂可以是空气、水或其他制冷剂(例如，R134A、R33等)。冷却器550可以使用蒸汽压缩或蒸汽吸收冷却循环。蒸汽压缩循环通过电力输入进行操作。蒸气吸收循环通过热量输入进行操作。冷凝器部件出口560中的制冷剂的压力和温度将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-20至-5℃(更优选在-10至-5℃的范围内)和5至10巴。冷凝器部件入口540中的制冷剂的压力和温度也将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-5至1℃和1至5巴。
冷凝器510将未反应的氢气和氮气中产生的氨分离。由于合成反应器480在大约80-280巴、优选145巴加或减10巴的高压下操作，所以产生的氨通过冷凝器510冷凝。然而，压力不受特别限制并且可以基于系统中选择的其他部件的类型是任何合适的压力。当氨的冷凝温度随压力升高时，其在冷凝器510中液化，根据转化率，冷凝器510需要氨的分压。液氨从混合物中分离出来并通过分离器入口600沉降在分离器620中。剩余的未反应的氢气和氮气被再循环并经由未反应气体出口422送回到反应器440。由于未反应的氢气和氮气处于比反应器440更高的压力下，所以气体可以被再循环而不需要另一种气体压缩机。因此，通过这种新方法，未反应的气体被回收，产生的氨被分离，而不需要额外的制冷系统。
分离器620可以是体积为0.005至0.5m3(优选在0.005至0.05m3的范围)的闪蒸罐。然后氨经由分离器出口650离开分离器620到达储存装置。分离器620的出口压力可根据所需的储存压力经由调节阀改变。为了解决所有设备上的任何压降，可使用再循环泵/增压器635将未反应气体和残余氨的压力增压至理想反应压力，优选在80巴与280巴之间。
发电和储存装置800向任何需要电力的系统部件提供电力。例如，发电装置可以包括逆变器和电池集成系统。装置800可以使用任何电力来源，包括可再生能源，例如风能、太阳能、潮汐能、地热能和水能。需要电输入的系统部件包括经由电输入840的HPU 325、经由电输入810的NPU 225、经由电输入820的空气压缩和储存装置210、经由电输入850的水处理和储存装置310、经由电输入460的反应器480，以及经由电输入870的反应器440。这些部件可以通过电连接来连接以形成可以用于为系统供电的一个连接。因此，模块化无水氨生产装置可以方便地运输到任何有电源的地方并且可以连接以生产无水氨。
本发明的另一个实施方案如图4所示，其提供并联反应器配置。这种配置需要并行反应器操作，其中增压器出口连接到两个反应器的入口。这种操作配置允许将反应气体分配到两个并联反应器中，因此降低了通过每个反应器的体积流速并增加了在每个反应器中的停留时间。随着停留时间的增加，每个反应器中氨合成的速率也增加。
类似于图3，空气入口200允许空气(优选地在室温和大气压下)进入空气压缩和储存装置210。空气压缩和储存装置210吸入大气并对其加压。空气压缩和储存装置210可以储存高压空气，优选地在10巴至100巴的范围内，更优选地在70巴至100巴的范围内。然后可以根据需要将空气调节至较低压力。例如，可以在4-30巴、优选4-5巴下使用空气。需要该压力来进行吸附过程，然后进行解吸过程。压缩和储存装置210可以是往复式压缩机或螺杆式压缩机。空气压缩和储存装置210对大气进行加压并经由入口220将其发送到氮气生产装置(NPU)225。入口220以调节后的压力(优选地3-6巴)向NPU 225提供空气。NPU 225提供基于吸附的空气中氧气和氮气的分离。吸附剂可以是碳分子筛、沸石或其他合适的吸附剂。例如，NPU 225可以包括填充有碳分子筛的封闭容器。容器内的加压气氛和分子筛的存在可以吸附空气中的氧分子。因此，一旦氧分子被吸附，剩余的氮分子就被允许离开容器并进入另一个封闭的隔室。氮气经由NPU出口240离开NPU 225并进入膨胀罐245。NPU出口240中的氮气优选为26-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％，但优选达到99.999％，并且处于露点5ppm或更低的露点。膨胀罐245中的氮气稍微冷却，优选冷却至25-40℃。膨胀罐245可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。膨胀罐245可以包含筛分子以干燥氮气，并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氮气就通过氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245。
水入口300允许水(优选地在室温和3-5巴下)进入水处理和储存装置310。水可以是纯水。如果水处理过程与系统集成，则水也可以是盐水、海水、咸水或废水。因此，水处理和储存装置310可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程。然后水经由水处理和储存装置出口320离开水处理和储存装置310，优选地在30-60℃的温度和3-5巴的压力下，并且进入氢气生产装置(HPU)325产生机载氢气。氢气生产装置325可以是基于质子交换膜(PEM)、碱性、光电化学、CuCl或MgCl2的氢气生产工艺，其中可以实现优选99.999％的氢气纯度。
氢气生产装置325可以在本发明的系统中以独特的方法使用，其中首先通过利用废热来预热水。增加氢气生产装置325的输入水的温度有助于提高氢气生产速率以及整个系统的效率。因此，可以采用新的水循环设计，其向空气压缩和储存装置210提供冷却并充当氢气生产装置325的输入以增强氨合成期间的氢气生产。氢气生产装置325优选为高压PEM电解槽，其可以在5-50巴(优选地10-50巴)的压力下将氢气引入系统中，但确切的压力由所选电解槽的类型的额定输出确定。氢气生产装置325内的温度优选为25至46℃。
氢气经由HPU出口340离开氢气生产装置325。氢气优选处于25-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％，并且露点为5ppm或更低。然后氢气进入氢气膨胀罐355。氢气膨胀罐355可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2立方米的体积。氢气膨胀罐355还可以包含五氧化二磷以干燥氢气。一旦需要，氢气就通过氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355。氢气的压力可以通过压力调节器来调节。
经由氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245的氮气和经由氮气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355的氢气均在20-30℃和10-50巴下进入混合气体增压器入口401。膨胀罐245和氢气膨胀罐355可用于以每3摩尔氢气1摩尔氮气的化学计量比控制气体流入混合气体增压器入口401。该比率接近最佳，但其他比率也是可能的。不同的比例会产生不同的量。通过使用质量流量控制器和电磁阀，可以得到每3摩尔氢气1摩尔氮气的摩尔比的反应混合物。氮气质量流量控制器可以控制氮气的流速，并且氢气质量流量控制器可以控制氢气流速。
适当摩尔比的氢气和氮气的反应混合物进入混合气体增压器。气体增压器将反应混合物压力从约4巴至30巴(优选25巴至30巴)增加至约80巴至280巴，优选145巴加或减10巴(更优选135巴至150巴)。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。气体增压器也可以用混合气体压缩机代替，以高压压缩氢气和氮气的混合物。氢气压缩机还将消除本发明的系统对压缩空气储罐的需要。
然后混合气体经由混合气体增压器出口405离开气体增压器，其中可以分别经由调节阀和质量流量控制器控制压力和流量。然后混合气体经由入口425进入三通阀。然后混合气体可以经由反应器入口435进入反应器440或者可以经由反应器入口430进入反应器480。
反应器440和480可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.8m3的体积(更优选在0.008至0.1m3的范围内)并且形状为管状。反应器440和480优选由316不锈钢材料或其他合适的材料制成，其尺寸由所需的处理速率确定。为了每天处理100公斤的产量，反应器的长度可以约为1至2米，直径约为10至20厘米。反应器含有催化剂。催化剂床是轴向径向圆柱形篮，具有开放的筛网顶部，可以插入胶囊中。胶囊将催化剂篮与压力容器壁分开(用于冷却，甚至沿着壁进行热传递)。对于顶部开放式配置反应器，优选径向流。该胶囊简化了催化剂的装载和卸载操作。该催化剂对氧气非常敏感，在将其加载到系统中时需要仔细考虑。因此，使用上述设计描述，催化剂可以在正确的条件下(例如氮气气氛，筛分以除去任何灰尘并通过密集装载机装载以确保床层之间的均匀性)装载到系统外部，并且可以转移并插入到反应器。由于老化和闲置，约25年后进行维护。
此外，反应器440和480内的温度和压力可以通过温度和压力传感器记录。反应器440和480可以覆盖有电炉，该电炉利用电力和加热线圈产生热能，根据所需的反应条件将热能传递至反应器。该热能可在启动和催化剂活化期间使用。氨合成过程本质上是放热的，并且当产生氨时，产生的热用于将反应器440和480维持在高反应温度。反应器440和480填充有有助于合成过程的氨合成催化剂，例如基于磁铁矿的商用催化剂。有几种可能的市售催化剂。较低的合成压力和温度对于节省能源是有利的，并且可以通过能够在低温和压力下运行的催化剂来实现。例如，添加到氧化铁催化剂中的促进剂在一系列不同的操作温度和压力下显示出催化剂结构和性能的巨大改进。此外，有色催化剂，例如用MgAl2O4、Al2O3、MgO以及铯和钡的不同混合物促进的钌催化剂，被证明对于低温低压氨合成是有效的。这些有助于已知的氨工艺的商业化，例如KAAP工艺和KBR工艺。
氨和未反应的氢气和氮气经由反应器出口445离开反应器440并且经由反应器出口465离开反应器480。在反应器出口445和465中的氨以及未反应的氢气和氮气然后在三通阀中组合并通过出口466。氨和未反应的氢气和氮气进入冷却盘管495。冷却盘管495的形状和尺寸可以变化，但优选为螺旋盘管。冷却盘管495将氨以及未反应的氢气和氮气的温度降低至50-200℃。然后，氨以及未反应的氢气和氮气经由冷却盘管出口500离开冷却盘管495并进入冷凝器510。
冷凝器510可以是空气冷却器、水冷却器或基于制冷剂的冷却器，并且可以具有0.1-0.8平方米(更优选地在0.1至0.5平方米的范围内)的表面积。冷凝器510包括冷凝器部件入口540，其中制冷剂可进入冷却器550，然后经由冷凝器部件出口560离开冷却器550。制冷剂可以是空气、水或其他制冷剂(例如，R134A、R33等)。冷却器550可以使用蒸汽压缩或蒸汽吸收冷却循环。蒸汽压缩循环通过电力输入进行操作。蒸气吸收循环通过热量输入进行操作。冷凝器部件出口560中的制冷剂的压力和温度将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-20至-5℃(更优选在-10至-5℃的范围内)和5至10巴。冷凝器部件入口540中的制冷剂的压力和温度也将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-5至1℃和1至5巴。
冷凝器510将未反应的氢气和氮气中产生的氨分离。由于合成反应器480在大约80-280巴、优选145巴加或减10巴的高压下操作，所以产生的氨通过冷凝器510冷凝。然而，压力不受特别限制并且可以基于系统中选择的其他部件的类型是任何合适的压力。当氨的冷凝温度随压力升高时，其在冷凝器510中液化，根据转化率，冷凝器510需要氨的分压。液氨从混合物中分离出来并通过分离器入口600沉降在分离器620中。剩余的未反应的氢气和氮气被再循环并经由未反应气体出口421送回到入口425。由于未反应的氢气和氮气处于比反应器440和480更高的压力下，所以气体可以被再循环而不需要另一种气体压缩机。因此，通过这种新方法，未反应的气体被回收，产生的氨被分离，而不需要额外的制冷系统。
分离器620可以是体积为0.005至0.5m3(更优选在0.005至0.05m3的范围)的闪蒸罐。然后氨经由分离器出口650离开分离器620到达储存装置。分离器620的出口压力可根据所需的储存压力经由调节阀改变。为了解决所有设备上的任何压降，可使用再循环泵/压缩机635将未反应气体和残余氨的压力增压至理想反应压力，优选在80巴与280巴之间。
发电和储存装置800向任何需要电力的系统部件提供电力。例如，发电装置可以包括逆变器和电池集成系统。装置800可以使用任何电力来源，包括可再生能源，例如风能、太阳能、潮汐能、地热能和水能。需要电输入的系统部件包括经由电输入840的HPU 325、经由电输入810的NPU 225、经由电输入820的空气压缩和储存装置210、经由电输入850的水处理和储存装置310、经由电输入460的反应器480，以及经由电输入870的反应器440。这些部件可以通过电连接来连接以形成可以用于机器供电的一个连接。因此，模块化氨生产装置可以方便地运输到任何有电源的地方并且可以连接以生产氨。
本发明的另一个实施方案如图5所示。
空气入口200允许空气(优选地在室温和大气压下)进入空气压缩和储存装置210。空气压缩和储存装置210吸入大气并对其加压。空气压缩和储存装置210可以储存高压空气，优选地在10巴至100巴的范围内，更优选地在70巴至100巴的范围内。然后可以根据需要将空气调节至较低压力。例如，可以在4-30巴、优选4-5巴下使用空气。需要该压力来进行吸附过程，然后进行解吸过程。压缩和储存装置210可以是往复式压缩机或螺杆式压缩机。空气压缩和储存装置210对大气进行加压并经由入口220将其发送到氮气生产装置(NPU)225。入口220以调节后的压力(优选地3-6巴)向NPU 225提供空气。NPU 225提供基于吸附的空气中氧气和氮气的分离。吸附剂可以是碳分子筛、沸石或其他合适的吸附剂。例如，NPU 225可以包括填充有碳分子筛的封闭容器。容器内的加压气氛和分子筛的存在可以吸附空气中的氧分子。因此，一旦氧分子被吸附，剩余的氮分子就被允许离开容器并进入另一个封闭的隔室。氮气经由NPU出口240离开NPU 225并进入氮气压缩装置243。氮气压缩装置243吸入压缩的氮气并进一步将氮气加压至约80至280巴的较高压力。氮气压缩装置243可以是往复式压缩机、螺杆式压缩机或空气驱动氮气增压器。NPU出口240中的氮气优选处于26-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％、并且露点为5ppm或更低。然后，氮气压缩装置243中的加压氮气以25至40℃的优选温度范围储存在膨胀罐245中。膨胀罐245可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。膨胀罐245可以包含筛分子以干燥氮气，并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在80巴至280巴之间。一旦需要，氮气就通过氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245。
水入口300允许水(优选地在室温和3-5巴的压力范围)进入水处理和储存装置310。水可以是纯水。如果水处理过程与系统集成，则水也可以是盐水、海水、咸水或废水。因此，水处理和储存装置310可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程。然后水经由水处理和储存装置出口320离开水处理和储存装置310，优选地在30-60℃的温度和3-5巴的压力下，并且进入氢气生产装置(HPU)325产生机载氢气。氢气生产装置325可以是基于质子交换膜(PEM)、碱性、光电化学、CuCl或MgCl2的氢气生产工艺，其中可以实现99.995％的氢气纯度。
氢气生产装置325可以在本发明的系统中以独特的方法使用，其中首先通过利用废热来预热水。增加氢气生产装置325的输入水的温度有助于提高氢气生产速率以及整个系统的效率。因此，可以采用新的水循环设计，其向空气压缩和储存装置210提供冷却并充当氢气生产装置325的输入以增强氨合成期间的氢气生产。氢气生产装置325优选为高压PEM电解槽，其可以在2-50巴(优选地5-50巴，更优选地为10至50巴的范围)的压力下将氢气引入系统中，但确切的压力由所选电解槽的类型的额定输出确定。氢气生产装置325内的温度优选为25至46℃。
氢气经由HPU出口340离开氢气生产装置325。氢气优选处于25-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％，并且露点为5ppm或更低。然后氢气进入氢气压缩装置341。氢气压缩装置341吸入压缩的氢气并进一步将氢气加压至约80至280巴的较高压力。氢气压缩装置341可以是往复式压缩机、螺杆式压缩机或空气驱动氢气增压器。经由氢气压缩出口345离开氢气压缩装置341的氢气然后被储存在氢气膨胀罐355中。氢气膨胀罐355可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。氢气膨胀罐355可以包含五氧化二磷以干燥氢气并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在80巴至280巴之间。一旦需要，氢气就通过氢气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355。氢气的压力可以通过压力调节器来调节。
经由氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245的氮气和经由氢气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355的氢气两者优选在大约25℃至40℃的温度以及大约80-280巴的压力下在静态混合器361中混合。氮气膨胀罐245和氢气膨胀罐355可用于以每3摩尔氢气1摩尔氮气的化学计量比控制气体流入氮气和氢气输入端408。该比率接近最佳，但其他比率也是可能的。不同的比例会产生不同的量。通过使用质量流量控制器和电磁阀，可以得到每3摩尔氢气1摩尔氮气的摩尔比的反应混合物。氮气质量流量控制器可以控制氮气的流速，并且氢气质量流量控制器可以控制氢气流速。
然后氢气和氮气的反应混合物在静态混合器645中与混合气体增压器635的出口640处的未反应气体以适当的摩尔比混合，进入热交换器893。热交换器893可以具有大约5至80℃的上游900温度和大约80至280巴的压力并且可以具有大约200至500℃的下游470温度和大约80至280巴的压力。另外，热交换器893可以被设计为单个热交换器或以最佳方式连接的多个热交换器，以从反应器组件的输出回收热量。
然后混合气体经由热交换器出口920离开热交换器893，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制。然后混合气体经由预热器入口920进入预热器460，预热器460配备有10至100kW(优选在10至40kW范围内)的电加热器。预热器460可以是任何期望的尺寸，但优选具有体积为0.008至0.8m3(更优选在0.008至0.1m3的范围)并且形状为管状。预热器460可以由不锈钢或可以支持高温的其他优选材料制成。预热器460将混合气体的温度和压力升高，优选升高至250-450℃和80-280巴(更优选在100-280巴的范围)。离开预热器460的气体的优选操作温度是300℃加或减10℃。然而，温度和压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的温度和压力。然后，经加热的混合气体经由预热器出口461离开预热器460，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并进入氨反应器组件480-483。
氨反应器组件480-483可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.8m3(更优选在0.008至0.1m3的范围)的体积并且形状为管状。反应器480优选由316不锈钢材料或其他合适的材料制成，其尺寸由所需的处理速率确定。多反应器组件可以是一组反应器，例如串联或并联接合的R-1、R-2、R-3至R-x，适合于控制生产并使氨产率最大化。为了在不同的负载下运行，意味着打开和关闭或改变系统的负载，需要一组能够快速响应变化的反应器。问题源于反应器内的气体到气体的热传递。为了具有快速响应，反应器的热传递必须设计成对加热具有快速响应。反应器的尺寸取决于催化剂负载、反应速率、温度和压力以及反应物的浓度。理想情况下，小型反应器由于其高壁体积比而有利于催化剂合成，但它们受到小体积处理的影响。因此，术语“多反应器组件”包括一定数量的小反应器，其中氨的生产率很大程度上取决于组装在一起的反应器的数量。为了每天处理100公斤的产量，反应器的长度可以约为1至2米，直径约为10至20厘米。反应器含有催化剂。催化剂床是轴向径向圆柱形篮，具有开放的筛网顶部，可以插入胶囊中。胶囊将催化剂篮与压力容器壁分开(用于冷却，甚至沿着壁进行热传递)。对于顶部开放式配置反应器，优选径向流。该胶囊简化了催化剂的装载和卸载操作。该催化剂对氧气非常敏感，在将其加载到系统中时需要仔细考虑。因此，使用上述设计描述，催化剂可以在正确的条件下(例如氮气气氛，筛分以除去任何灰尘并通过密集装载机装载以确保床层之间的均匀性)装载到系统外部，并且可以转移并插入到反应器。由于老化和闲置，约25年后进行维护。
此外，反应器组件480-483内的温度和压力可以通过温度和压力传感器记录。反应器组件480-483可以覆盖有电炉，该电炉利用电力和加热线圈产生热能，根据所需的反应条件将热能传递至反应器。该热能可在启动和催化剂活化期间使用。氨合成过程本质上是放热的，并且当产生氨时，产生的热用于将反应器组件480-483维持在高反应温度。反应器R-1、R-2、R-3和R-x填充有有助于合成过程的氨合成催化剂，例如基于磁铁矿的商用催化剂。有几种可能的市售催化剂。较低的合成压力和温度对于节省能源是有利的，并且可以通过能够在低温和压力下运行的催化剂来实现。例如，添加到氧化铁催化剂中的促进剂在一系列不同的操作温度和压力下显示出催化剂结构和性能的巨大改进。此外，有色催化剂，例如用MgAl2O4、Al2O3、MgO以及铯和钡的不同混合物促进的钌催化剂，被证明对于低温低压氨合成是有效的。这些有助于已知的氨工艺的商业化，例如KAAP工艺和KBR工艺。
氨以及未反应的氢气和氮气在250-450℃的温度下经由反应器组件出口470离开反应器组件480-483，其中压力和流量可以分别经由调节阀和质量流量控制器来控制，并且进入热交换器893。氨和未反应的氢气和氮气在50-100℃的温度下经由热交换器出口895离开热交换器893并进入冷凝器510。
冷凝器510可以是空气冷却器、水冷却器或基于制冷剂的冷却器，并且可以具有0.1-0.8平方米(更优选地在0.1至0.5平方米的范围内)的表面积。冷凝器510包括冷凝器部件入口540，其中制冷剂可进入冷却器550，然后经由冷凝器部件出口560离开冷却器550。制冷剂可以是空气、水或其他制冷剂(例如，R134A、R33等)。冷却器550可以使用蒸汽压缩或蒸汽吸收冷却循环。蒸汽压缩循环通过电力输入进行操作。蒸气吸收循环通过热量输入进行操作。冷凝器部件出口560中的制冷剂的压力和温度将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-20至-5℃(更优选在-10至-5℃的范围内)和5至10巴。冷凝器部件入口540中的制冷剂的压力和温度也将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-5至1℃和1至5巴。
冷凝器510将未反应的氢气和氮气中产生的氨分离。由于合成反应器组件480-483在大约80-280巴、优选145巴加或减10巴的高压下操作，所以产生的氨通过冷凝器510冷凝。然而，压力不受特别限制并且可以基于系统中选择的其他部件的类型是任何合适的压力。当氨的冷凝温度随压力升高时，其在冷凝器510中液化，根据转化率，冷凝器510需要氨的分压。液氨从混合物中分离出来并通过分离器入口600沉降在分离器620中。剩余的未反应的氢气和氮气被再循环并通过热交换器入口900在-15℃-25℃(更优选-10℃至25℃的范围)的温度下送回到热交换器893。
分离器620可以是体积为0.005至0.5m3(更优选在0.005至0.05m3的范围)的闪蒸罐。然后氨经由分离器出口630离开分离器620到达储存装置。分离器620的出口压力可根据所需的储存压力经由调节阀改变。
发电和储存装置800向任何需要电力的系统部件提供电力。例如，发电装置可以包括逆变器和电池集成系统。装置800可以使用任何电力来源，包括可再生能源，例如风能、太阳能、潮汐能、地热能和水能。需要电输入的系统部件包括经由电输入840的HPU 325、经由电输入810的NPU 225、经由电输入820的空气压缩和储存装置210、经由电输入830的预热器460以及经由电输入850的水处理和储存装置310。这些部件可以通过电连接来连接以形成可以用于机器供电的一个连接。因此，模块化氨生产装置可以方便地运输到任何有电源的地方并且可以连接以生产氨。
本发明的另一个实施方案如图6所示，具有批处理配置。
类似于图1，空气入口200允许空气(优选地在室温和大气压下)进入空气压缩和储存装置210。空气压缩和储存装置210吸入大气并对其加压。空气压缩和储存装置210可以储存高压空气，优选地在10巴至100巴的范围内，更优选地在70巴至100巴的范围内。然后可以根据需要将空气调节至较低压力。例如，可以在4-30巴、优选4-5巴下使用空气。需要该压力来进行吸附过程，然后进行解吸过程。压缩和储存装置210可以是往复式压缩机或螺杆式压缩机。空气压缩和储存装置210对大气进行加压并经由PSA入口220将其发送到PSA 230。PSA入口以调节后的压力(优选地3-6巴)向PSA 230提供空气。PSA 230提供基于吸附的空气中氧气和氮气的分离。吸附剂可以是碳分子筛、沸石或其他合适的吸附剂。例如，PSA 230可以包括填充有碳分子筛的封闭容器。容器内的加压气氛和分子筛的存在可以吸附空气中的氧分子。因此，一旦氧分子被吸附，剩余的氮分子就被允许离开容器并进入另一个封闭的隔室。通过经由时间延迟继电器控制空气压缩和储存装置210而产生的压力摆动，允许吸附的氧气解吸。然后氧气可以经由氧气出口700前进以储存在储存容器中。该氧气可用于紧急用途，例如治疗COVID-19。氮气经由PSA出口240离开PSA 230并进入膨胀罐245。PSA出口240中的氮气优选处于26-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％并且处于露点5ppm或更低。膨胀罐245中的氮气稍微冷却，优选冷却至25-40℃。膨胀罐245可以是任何尺寸，但优选具有0.5至2m3的体积。膨胀罐245可以包含筛分子以干燥氮气，并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氮气就通过氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245。
水入口300允许水(优选地处于室温和3-5巴)进入水处理和储存装置310。水可以是纯水。如果水处理过程与系统集成，则水也可以是盐水、海水、咸水或废水。因此，水处理和储存装置310可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程。然后，水优选地在30-60℃的温度和3-5巴的压力下经由水处理和储存装置出口320离开水处理和储存装置310，并进入产生机载氢气的电解槽330。在电解槽330中，水电化学离解成氧气和氢气。电解槽330可以是质子交换膜(PEM)、阴离子交换膜(AEM)或碱性电解槽。
电解槽或其他此类产生氢气的方法330可与本发明的系统中的独特方法一起使用，其中首先通过利用系统中的废热(例如压缩机中产生的热量)来预热水。提高电解槽330的输入水的温度有助于提高氢气生产率以及整个系统的效率。因此，可以采用新的水循环设计，其向空气压缩和储存装置210提供冷却并充当水电解器330的输入以增强氨合成期间的氢气产量。电解槽330优选为高压PEM电解槽，其可以在2-50巴的压力下(更优选在10至50巴的范围内)向系统中引入氢气，但确切的压力由所选电解槽的类型的额定输出确定。电解槽330内的温度优选为25℃至46℃的范围。
电解槽330中产生的氧气经由氧气出口750排出以储存在储存容器中。该氧气可用于紧急用途，例如治疗COVID-19。
氢气经由电解槽出口340离开电解槽330。氢气优选处于25-46℃、10-50巴、纯度高达99.995％并且露点为5ppm或更低。然后氢气进入三通调节阀345，三通调节阀345根据需要控制出口压力和流量。本发明方法所需的氢气通过三通调节阀345的出口350离开阀345并进入氢气膨胀罐355。氢气膨胀罐355可以是任何尺寸，但优选具有0.05至0.1立方米的体积。氢气膨胀罐355可以包含五氧化二磷以干燥氢气并且还可以包括蓄能器和囊液压系统以将压力维持在10巴至50巴之间。一旦需要，氢气就通过氢气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355。氢气的压力可以通过压力调节器来调节。
任何过量的氢气可经由三通调节阀345的出口380前进以储存在储存容器中。
经由氮气膨胀罐出口250离开膨胀罐245的氮气和经由氢气膨胀罐出口360离开氢气膨胀罐355的氢气均在25-40℃和10-50巴下进入氮气和氢气输入端400。膨胀罐245和氢气膨胀罐355可用于以每3摩尔氢气1摩尔氮气的化学计量比控制气体流入氮气和氢气输入端400。该比率接近最佳，但其他比率也是可能的。不同的比例会产生不同的量。通过使用质量流量控制器和电磁阀，可以得到每3摩尔氢气1摩尔氮气的摩尔比的反应混合物。氮气质量流量控制器可以控制氮气的流速，并且氢气质量流量控制器可以控制氢气流速。
然后氮气和氢气的混合气体进入混合气体增压器入口410，其中压力和流量可以分别通过调节阀和质量流量控制器来控制。接下来，适当摩尔比的氢气和氮气的反应混合物进入混合气体增压器。气体增压器将反应混合物压力从约4巴至30巴(优选25巴至30巴)增加至约80巴至280巴，优选145巴加或减10巴(更优选135巴至150巴)。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。气体增压器也可以用混合气体压缩机代替，以高压压缩氢气和氮气的混合物。混合气体压缩机还将消除本发明的系统对压缩空气储存罐的需要。
然后混合气体经由混合气体增压器出口450离开气体增压器，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器来控制。然后混合气体进入预热器460，其配备有10至100kW(更优选在10至40kW范围内)的电加热器。预热器460可以是任何期望的尺寸，但优选具有体积为0.008至0.8m3(更优选在0.008至0.1m3的范围)并且形状为管状。预热器460将混合气体的温度和压力升高，优选升高至250-450℃和80-280巴(更优选在100至280巴的范围)。离开预热器460的气体的优选操作温度是300℃加或减10℃。然而，温度和压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的温度和压力。然后，经加热的混合气体经由预热器出口470离开预热器460，其中压力和流量可分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并进入氨反应器480。
氨反应器480可以是任何期望的尺寸，但优选具有0.008至0.8m3(更优选在0.008至0.1m3的范围)的体积并且形状为管状。反应器480优选由316不锈钢材料或其他合适的材料制成，其尺寸由所需的处理速率确定。为了每天处理100公斤的产量，反应器的长度可以约为1至2米，直径约为10至20厘米。反应器含有催化剂。催化剂床是轴向径向圆柱形篮，具有开放的筛网顶部，可以插入胶囊中。胶囊将催化剂篮与压力容器壁分开(用于冷却，甚至沿着壁进行热传递)。对于顶部开放式配置反应器，优选径向流。该胶囊简化了催化剂的装载和卸载操作。该催化剂对氧气非常敏感，在将其加载到系统中时需要仔细考虑。因此，使用上述设计描述，催化剂可以在正确的条件下(例如氮气气氛，筛分以除去任何灰尘并通过密集装载机装载以确保床层之间的均匀性)装载到系统外部，并且可以转移并插入到反应器。由于老化和闲置，约25年后进行维护。
此外，反应器480内的温度和压力可以通过温度和压力传感器记录。反应器480可以覆盖有电炉，该电炉利用电力和加热线圈产生热能，根据所需的反应条件将热能传递至反应器。该热能可在启动和催化剂活化期间使用。氨合成过程本质上是放热的，并且当产生氨时，产生的热用于将反应器480维持在高反应温度。反应器480填充有有助于合成过程的氨合成催化剂，例如基于磁铁矿的商用催化剂。有几种可能的市售催化剂。较低的合成压力和温度对于节省能源是有利的，并且可以通过能够在低温和压力下运行的催化剂来实现。例如，添加到氧化铁催化剂中的促进剂在一系列不同的操作温度和压力下显示出催化剂结构和性能的巨大改进。此外，有色金属催化剂，例如用镁和铝基助催化剂(MgAl2O4、Al2O3、MgO)促进的钌催化剂，以及铯和钡的不同混合物，对于低温低压氨合成来说是有效的。这些有助于已知的氨工艺的商业化，例如KAAP工艺和KBR工艺。
反应器480还可以包括反应器定向装置471，其允许反应器480从5度旋转到360度以获得更好的转化效率。
氨以及未反应的氢气和氮气经由反应器出口490离开反应器480，其中压力和流量可以分别经由调节阀和质量流量控制器控制，并且进入冷却盘管495。冷却盘管495的形状和尺寸可以变化，但优选为螺旋盘管。冷却盘管495将氨以及未反应的氢气和氮气的温度降低至50-200℃。然后，氨以及未反应的氢气和氮气经由冷却盘管出口500离开冷却盘管495并进入冷凝器510。
冷凝器510可以是空气冷却器、水冷却器或基于制冷剂的冷却器，并且可以具有0.1-0.8平方米(更优选地在0.1至0.5平方米的范围内)的表面积。冷凝器510包括冷凝器部件入口540，其中制冷剂可进入冷却器550，然后经由冷凝器部件出口560离开冷却器550。制冷剂可以是空气、水或其他制冷剂(例如，R134A、R33等)。冷却器550可以使用蒸汽压缩或蒸汽吸收冷却循环。蒸汽压缩循环通过电力输入进行操作。蒸气吸收循环通过热量输入进行操作。冷凝器部件出口560中的制冷剂的压力和温度将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-20至-5℃(更优选在-10至-5℃的范围内)和5至10巴。冷凝器部件入口540中的制冷剂的压力和温度也将取决于所使用的制冷剂的类型，但优选为-5至1℃和1至5巴。
冷凝器510将未反应的氢气和氮气中产生的氨分离。由于合成反应器480在大约80-280巴、优选145巴加或减10巴的高压下操作，所以产生的氨通过冷凝器510冷凝。然而，压力不受特别限制并且可以基于系统中选择的其他部件的类型是任何合适的压力。
当氨的冷凝温度随压力升高时，其在冷凝器510中液化，根据转化率，冷凝器510需要氨的分压。液氨从混合物中分离出来并通过分离器入口600沉降在分离器620中。剩余的未反应的氢气和氮气被再循环并经由未反应气体出口420送回到混合气体增压器入口410。由于未反应的氢气和氮气处于比预热器460更高的压力下，所以气体可以被再循环而不需要另一种气体压缩机。因此，通过这种新方法，未反应的气体被回收，产生的氨被分离，而不需要额外的制冷系统。
分离器620可以是体积为0.005至0.5m3(更优选在0.005至0.05m3的范围)的闪蒸罐。然后氨经由分离器出口650离开分离器620到达储存装置。分离器620的出口压力可根据所需的储存压力经由调节阀改变。
发电和储存装置800向任何需要电力的系统部件提供电力。例如，发电装置可以包括逆变器和电池集成系统。装置800可以使用任何电力来源，包括可再生能源，例如风能、太阳能、潮汐能、地热能和水能。需要电输入的系统部件包括经由电输入840的电解槽330、经由电输入810的PSA 230、经由电输入820的空气压缩和储存装置210、经由电输入830的预热器460以及经由电输入850的水处理和储存装置310。这些部件可以通过电连接来连接以形成可以用于机器供电的一个连接。因此，模块化氨生产装置可以方便地运输到任何有电源的地方并且可以连接以生产氨。
图7提供了通过使用本发明的可运输氨生产装置进行盐生产和碳捕获的示意图。具体地，将水、空气和电力输入到本发明的可运输氨生产装置中以产生氧气和氨。然后，产生的氨、水、二氧化碳和电力可以输入二氧化碳捕获系统以产生氨和NH4HCO3。
用于本发明的系统部件的电输入可以通过可再生能源例如太阳能和风能获得，这将使开发的氨生产装置能够生产环境友好的氨。因此，模块化尺寸的制氨机可以合成环境友好的氨。该系统设计用于满足50公斤/天至1000公斤/天的氨生产率。系统部件的尺寸是相应设计的。然而，更大或更小尺寸的配置也是可能的，具体取决于需要生产多少氨。
最终，集装箱式系统的输入是氢气、氮气和电力。每摩尔NH3(0.017克)需要1.5摩尔H2(0.003克)。为了评估氨合成的能量需求，氢气产量是根据1L液态NH3(0.698kg)或41.05摩尔计算的。然后，发现氢气需求量为61.575摩尔(0.123千克)。为了了解制氢所需的电力需求，电解槽效率是在100％电流效率下获取的。这导致电输入等于水离解的焓变，即142MJ/kg的H2或对于1kg的H2为39.45kWh。对于1升液态NH3的能量需求，发现电解槽消耗量为4.86kWh。同样以50％的实际效率计算，电解槽所需电量为9.72kWh。电力至氨系统的能量效率是根据有用输出和输入来确定的。结果以生产1L液氨(密度＝698kg/m3)的比能表示。低温质子交换膜(PEM)电解槽的能耗大约需要6.8kWh/L的NH3。
例如，典型的全自动300公斤/天集装箱式系统使用三个ISO 20英尺集装箱。第一集装箱内装有水处理装置、电解槽、氢气压缩和储存系统、缓冲罐、电线、气体管道、气体检测系统、主动通风、内部控制和监测系统、气候控制系统、分区区域、服务门，以及安全和应急系统。该系统主要由无碳电网(例如太阳能、风能或任何无碳能源)供电，通过直接连接到项目现场可用的标称400VAC三相50或60Hz并网总线。为了运行电解槽，需要供应纯净水。制氢系统内供应有水处理系统，容量约为18L/h。这可以从现有的供水中产生纯净水。电解过程中，电解槽内会产生氢气和氧气。预计氢气产量约为2.62kg/h，储存压力约为150巴。第二集装箱装有空气压缩和储存系统、氮气发生器、氮气压缩和储存系统、电线、气体管道、气体检测系统、主动通风、内部控制和监测系统、气候控制系统、分区区域、服务门，以及安全和应急系统。生产氮气所需的空气流量约为120Nm3/h，在约为8巴的压力下输送。预计氮气生产能力约为15kg/h，储存压力约为150巴。第三集装箱装有气体混合系统、多反应器组件、预热器、热交换器、冷却器、冷凝器、分离器、混合气体增压系统、电线、气体管道、气体检测系统、主动通风、内部控制和监测系统、气候控制系统、分区区域、服务门以及安全和应急系统。该系统能够以20％至100％的产能运行，预计氨产量约为12.5kg/h，储存压力约为150巴。为该系统供应了全面的集成控制和监测(C&M)系统。控制和监测系统使用气体设备传感器，并连接到三个集装箱以进行远程应用，例如打开/关闭系统、维护和优化。该集装箱组件便于在偏远地区运输和安装的便利，并可在极端天气条件下进行系统操作，同时保护硬件。此外，每个集装箱都可以独立于另一个集装箱运行，这样如果其中一个集装箱得到维护，则其他集装箱不会受到影响。
气体增压器是常规装置。传统的气体压缩机可以根据需要达到100巴或更高的压力，但需要专门的氢气压缩机，成本和功耗都很高。由于该系统是模块化且可运输的，达到100巴就足以达到所需的生产能力。可以通过使用更高容量的增压器来增加该压力。更高容量的增压器成本更高，但会提供更高的出口压力。预热器是一种常规型反应器，其中输入反应气体并升高温度以达到所需的输出温度。气体增压器是一种机械装置，通过高压配件与预热器连接。预热器使用盘管加热器进行加热。
反应混合物在接近4-30巴的压力下进入气体增压器，并在被送至预热器或第一反应器之前被增压至约80-280巴、优选145巴加或减10巴的较高压力。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。较高的反应物压力有利于氨合成过程中较高的转化率，因此是该工艺所期望的。在传统工厂中，这种压力增加是通过氢气压缩机或氮气压缩机实现的。因此，由于本发明的系统使用气体增压器，因此该温度升高技术消除了这些压缩机的使用。
生产氢气的方法和类似地生产氮气的方法以及所选择的相应设备导致各个装置的输出压力和温度不同。因此，混合气体然后将混合物增压至操作压力的过程可以通过标准工程设计准则和经济学来确定，这可能不需要增压压缩机。
通过本发明中开发的系统，避免了在氨合成期间使用额外的压缩机进行再循环。新的再循环工艺使用风冷冷凝器回收未反应的气体。该过程还降低了整个系统的功耗，并降低了氢气压缩机的成本。由于未反应的气体混合物的压力高于约90-155巴、145巴加或减10巴，因此它无需压缩机或增压器即可进入预热反应器。然而，压力不受特别限制并且可以是基于系统中所选择的其他部件的类型的任何合适的压力。一旦达到所需的温度，反应混合物就可以进入氨合成反应器，并且在每次运行中重复该过程。
本发明的另一个实施方案涉及新的氨分离系统，其中较大系统中可能需要的两个或更多个并联分离容器收集液氨并允许有效的未反应气体再循环。新的再循环工艺使用两个并行的分离容器回收未反应的气体，并取代了传统氨合成工厂中使用来冷凝氨并回收未反应的气体的制冷系统。
未反应的氢气和氮气以及液化的氨进入子系统。底部并联的两个氨收集容器允许液氨在两个容器中沉淀，并保持适当的压力平衡。即两个并联的分离容器基于压力差将氨与未反应气体分离，液体沉降，而未反应气体从顶部分离。两个容器底部的连接确保容器不会发生过压。具体地，两个并联的分离容器基于压力差将氨与未反应气体分离。当气体通过第一压力并且气体继续进入时，额外的气体在平衡后移动到第二容器，并且一旦氨被分离，未反应气体被再循环。而且，以这种方式，高压未反应的气态混合物通过再循环回路而不影响氨的向下凝结。
在一种实施方式中，采用一个或多个用于将氨与未反应气体分离的并联分离容器和冷凝器的新氨分离系统可以被基于吸收冷却系统的制冷装置替代。制冷装置可以通过系统中的可用废热进行操作，并且可以液化来自合成气流的合成氨，分离未反应的氢气和氮气，并且可以根据系统容量进行设计。这样，可以使用制冷装置将氨与未反应的气体分离，而不是集成两个并联的容器，从而允许来自冷凝器的液氨在适当的压力平衡维持下沉淀在容器的底部。制冷系统运行所需的废热可以从放热的氨合成反应以及压缩机运行中获得。
氨合成反应器中可以使用多床催化剂。催化剂可以是不同的贵金属催化剂，例如非常规的钌基催化剂和维铁体催化剂以及传统的氧化铁催化剂或其他催化剂，这可以由系统的体积要求或催化剂成本和性能来确定。这种多床催化剂配置可以提高氨转化率和系统效率。与单个传统的基于氧化铁的催化剂反应器相比，多床催化剂配置可以增加氨产量。
另一实施方案是，同样取决于所需的输出，可以使用热交换器来部分冷却来自反应器的排出气体，以便在再循环气体与进入的新气体混合之前或之后再加热再循环气体。该方法有两个目的：第一个是完全或部分回收反应器中产生的所有反应热，第二个是显著减少或消除在单独的系统中冷却反应器出口气体的必要性。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
虽然已经通过对各种实施方案的描述来说明本发明，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施方案，但是申请人无意将所附权利要求的范围限制或以任何方式限于这样的细节。本领域技术人员将容易看出附加的优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性实施例。为了完全使得本领域普通技术人员能够制造和使用所要求保护的发明，申请人提供了关于各种详细实施方案的优点和缺点的信息。本领域普通技术人员将理解，在一些应用中，如上所述的特定实施方案的缺点可以被完全避免或者被如所要求保护的本发明所提供的总体优点所抵消。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离上面的详细教导。

Claims (48)

1.用于从空气、水和能够跟踪电力负载变化的电源生产无水氨的集装箱式系统，包括：
集装箱式氢气生产装置，所述集装箱式氢气生产装置从水源生产氢气；
集装箱式氮气生产装置，所述集装箱式氮气生产装置从空气源中提取氮气；
集装箱式氨生产装置，所述集装箱式氨生产装置从上游氮气和氢气源合成氨。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氢气生产装置包括低温电解槽、高温电解槽、电池电解槽或通过从液体/蒸汽介质产生氢气的其他此类方法，其中所产生的氢气的最低纯度为99.995％。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述低温电解槽还包括质子交换膜(PEM)电解槽、阴离子交换膜(AEM)电解槽或碱性电解槽。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述高温电解槽还包括固体氧化物电解槽。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述从液体/蒸汽介质产生氢气的其他此类方法进一步包括光电化学水分解、CuCl或MgCl2热化学氢产生过程。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氢气生产装置包括水处理和储存装置，其中所述水包括水、盐水、海水、咸水或废水中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述水处理和储存可包括反渗透过程、盐水净化或废水处理过程。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氢气生产装置包括氢气增压系统和用于氢气储存的缓冲气瓶。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述用于氢气储存的缓冲气瓶还包括蓄能器和囊液压系统。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述用于氢气储存的缓冲气瓶含有五氧化二磷以进一步干燥氢气。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述电源包括发电和储存装置，以向任何需要电力的系统组件提供电力。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述发电和储存装置还包括逆变器和电池集成系统，以在电力中断时提供电力。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述电源包括连接到电网的风能、太阳能、潮汐能、地热能和水力发电中的至少一种的可再生能源。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氮气生产装置包括产生和储存加压空气的机载空气压缩和储存装置、吸入压缩空气并通过一系列吸附和解吸过程产生氮气的变压吸附过程或使用不需要任何维护的再生分子的其他方法或从空气中产生氮气的其他此类方法，其中产生的氮气的最低纯度为99.995％。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氮气生产装置包括氮气增压系统和用于氮气储存的缓冲气瓶。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述用于氮气储存的缓冲气瓶还包括蓄能器和囊液压系统。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述用于氢气储存的缓冲气瓶包含分子筛以进一步干燥氮气。
18.权利要求1的系统，其中所述集装箱式氨生产装置包括混合气体增压系统，其使用加压空气增加氢气和氮气的混合物的压力。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述集装箱式氨生产装置包括串联或并联接合的多反应器组装，其适合于控制生产并使氨的产率最大化。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述多反应器组件还包括两个反应器，其中第一反应器预热来自混合气体增压系统的氢气和氮气的混合物，并且第二反应器装载有用于催化预热的氢气和氮气的混合物来形成氨的催化剂；以及将氨与未反应气体分离的再循环回路。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述多反应器组件包括设定数量的小反应器，其中氨的生产率很大程度上取决于组装在一起的反应器的数量。
22.根据权利要求1所述的集装箱式系统，还包括：
回路，其中空气压缩机从所述空气压缩和储存装置排出的热量被用来加热进入所述氢气生产装置的净化水源；
第一管线，所述第一管线使经空气压缩机加热的水离开所述空气压缩机并进入所述氢气生产装置，将加热的水转化为氢气；以及
第二管线，所述第二管线使未反应的水和氧气离开所述氢气生产装置并返回到所述回路。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一反应器增加氢气和氮气的混合物的压力。
24.根据权利要求1所述的系统，其中来自所述第二反应器的排出气体首先穿过热交换器，所述热交换器将多余的热量输送至所述第一反应器的输入管线，同时冷却所述排出气体以促进所述氨的冷凝。
25.根据权利要求1所述的系统，其中来自所述反应器组件的排出气体中的任何多余热量用于加热进入所述氢气生产装置的水以减少水解所需的能量。
26.根据权利要求1所述的系统，其中所述再循环回路包括：
风冷或水冷冷凝器，所述风冷或水冷冷凝器将氨气冷凝成液氨。
27.根据权利要求1所述的系统，还包括：
压缩空气储罐，所述压缩空气储罐用于储存来自所述空气压缩和储存装置的加压空气。
28.根据权利要求6所述的系统，其中所述再循环回路还包括：
一个或多个氨收集容器，所述一个或多个氨收集容器并联连接在所述收集容器的底部，以允许液氨沉降在两个收集容器中并保持所述收集容器中的压力处于平衡状态。
29.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合气体增压系统的出口连接至所述第一反应器，在所述第一反应器中氢气和氮气的混合物被预热并产生氨；并且
其中所述第一反应器的出口连接至所述第二反应器，在所述第二反应器中发生氢气和氮气的混合物向氨的进一步转化。
30.根据权利要求18所述的系统，其中所述混合气体增压系统的出口连接至所述第一反应器和所述第二反应器两者。
31.根据权利要求20所述的系统，其中所述再循环回路包括：
基于吸收冷却系统的制冷装置，其通过系统中的废热进行操作并液化氨气；以及
第三管线，所述第三管线使未反应的气体返回到所述气体增压器或所述第一反应器。
32.根据权利要求20所述的系统，其中所述反应器组件中的催化剂是多床催化剂。
33.从空气和水中生产氨的方法，包括：
利用质子交换膜电解槽从水中生产氢气；
利用变压吸附空气分离装置从空气中提取氮气；
利用空气压缩机产生加压空气；
利用气体增压器使用所述加压空气来增加氢气和氮气的混合物的压力；
在第一反应器中预热来自所述气体增压器的氢气和氮气的混合物；
在装载有催化剂的第二反应器中催化预热的氢气和氮气的混合物形成氨；以及
在再循环回路中将氨与未反应的气体分离。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括：
通过所述空气压缩机抽吸蓄水池中的水，用潜水泵进行冷却；
使所述空气压缩机加热后的水排出所述空气压缩机，进入所述质子交换膜电解槽，将加热后的水转化为氢气；以及
使未反应的水和氧气离开所述质子交换膜电解槽并返回所述储水器。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述预热步骤还包括：增加氢气和氮气的混合物的压力。
36.根据权利要求33所述的方法，其中所述分离步骤包括：
将氨气在风冷冷凝器中冷凝成液氨；以及
使所述未反应的气体返回所述气体增压器或所述第一反应器。
37.根据权利要求33所述的方法，还包括：
将来自所述空气压缩机的加压空气储存在压缩空气储罐中。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述分离步骤还包括：
使液氨沉降在并联连接的一个或多个氨收集容器的底部，其中所述收集容器中的压力保持平衡。
39.根据权利要求33所述的方法，其中所述气体增压器的出口连接至所述第一反应器，在所述第一反应器中所述氢气和氮气的混合物被预热并产生氨；并且
其中所述第一反应器的出口连接至所述第二反应器，在第二反应器中发生氢气和氮气的混合物向氨的进一步转化。
40.根据权利要求33所述的方法，其中所述气体增压器的出口连接至所述第一反应器和所述第二反应器两者。
41.根据权利要求33所述的方法，其中所述分离步骤包括：
利用基于吸收冷却系统的制冷装置液化氨气，所述制冷装置通过系统中的废热进行操作；以及
使所述未反应的气体返回到所述气体增压器或所述第一反应器。
42.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二反应器中的催化剂是多床催化剂，其包含多个催化剂床，所述催化剂包括铁基催化剂和钌基催化剂。
43.根据权利要求33所述的系统，包括形成所述可运输氢和氨系统的单个集装箱式系统或多个集装箱式子系统。
44.根据权利要求43所述的系统，其中所述集装箱式系统包括能够具有不同标准尺寸和分类的船运集装箱。
45.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氢气生产装置包括具有间歇式氢气储存的低温电解槽。
46.根据权利要求45所述的系统，其中所述间歇储存能够根据电力可用性进行调整。
47.根据权利要求1所述的系统，其中所述集装箱式氨生产装置包括能够响应变化的一组反应器。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述反应器还包括径流反应器。
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