CN217808783U

CN217808783U - 一种温和条件下的可集成化连续制氨系统

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Publication number: CN217808783U
Application number: CN202222128226.2U
Authority: CN
Inventors: 吴志岳; 刘炳言; 曹学磊; 刘晓翠; 杜清华; 尹晓艳
Original assignee: Heideway Technology Group Qingdao Co ltd
Current assignee: Heideway Technology Group Qingdao Co ltd
Priority date: 2022-08-14
Filing date: 2022-08-14
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2032-08-14

Abstract

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。

Description

一种温和条件下的可集成化连续制氨系统

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CO₂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

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种可以在温和条件下的可集成化连续制氨系统，旨在解决上述背景技术中提出的目前工业合成氨存在的问题，利用机械化学的方法，利用更高效稳定的催化材料，通过一种新型氨合成发生装置的作用，在温和的条件下，实现可集成化地不间断连续制氨，为氨的制取和被广泛应用提供了新型解决方案。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供的一种温和条件下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）；

氮气注入口（N1）和第一进气处理装置（PT01）连接，氢气注入口（N2）和第二进气处理装置（PT02）连接；

第一进气处理装置（PT01）、第一合成发生装置（MG01）、第二进气处理装置（PT02）、第二合成发生装置（MG02）和气体分离装置（GSU）之间依次通过第一气相管路（LG1）、第二气相管路（LG2）、第三气相管路（LG3）、第四气相管路（LG4）顺序连接；

第一催化材料缓冲装置（FB01）、第一合成发生装置（MG01）、第二催化材料缓冲装置（FB02）、第二合成发生装置（MG02）依次顺序首尾连接；

第一合成发生装置（MG01）和第二催化材料缓冲装置（FB02）之间设置第一固相管路（LS1），第二合成发生装置（MG02）和第一催化材料缓冲装置（FB01）之间设置第二固相管路（LS2）；

气体分离装置（GSU）和产品氨出口（N5）和气体回收装置（GRU）连接；

气体回收装置（GRU）分别和氢气回收口（N3）、氮气回收口（N4）连接。

所述的气体分离装置用于产品氨的分离。气体回收装置用于氮气、氢气的分离，便于后续的回收利用。

进一步的，在所述的气相管路（LG1- LG4）和固相管路（LS1- LS2）上设置监测仪表传感器和控制阀门，通过传感器监测反馈和相关阀门控制，保证反应在合成发生装置中各自独立、不间断运行。原料反应气体氮气、氢气分别通过进气处理装置，经气相管路进入合成发生装置中，通过传感器监测反馈和相关阀门控制，保证原料反应气体氮气、氢气持续不断、稳定地供给。

进一步的，第一合成发生装置（MG01）和第二合成发生装置（MG02）结构为：一种旋转体筒体（MG-B）外部布置固定式电磁磁性装置，电磁磁性装置包括上部电磁磁性装置（MG-A）和下部电磁磁性装置（MG-D），通过旋转体筒体（MG-B）旋转带动旋转体筒体（MG-B）中研磨体运动，以及电磁磁性装置对研磨体磁性吸附作用，其工作模式可实现旋转式、振动式模式等其中一种或其组合。

进一步的，旋转体筒体（MG-B）材质为不易磁化的金属或者金属合金，且筒体内表面装有衬板（MG-C）。

衬板（MG-C）的作用是：

1.传递能量，通过衬板表面的特殊形状和与研磨体的摩擦力，将电机提供的旋转动能转换成研磨体的势能，从而冲击和促进催化剂和原料气体发生反应。

2.既可保护筒体不直接受研磨体的冲击，也可增加筒体刚度，增加使用寿命。

进一步的，旋转体筒体（MG-B）中采用的研磨体，其中心部分材质为磁性材料，外部覆盖耐磨材料。研磨体选择多种粒径尺寸并按照一定配比组合使用。

优选的，研磨体其中心部分材质为铁基。

进一步的，第一催化材料缓冲装置（FB01）、第二催化材料缓冲装置（FB02）其具有良好的密封，内部采用纯净、干燥的氮气保护，能够有效地杜绝氧气、水蒸气等污染气体的侵入。

本实用新型的系统整体处于独立密封场所内，既防止内部气体泄漏造成危险，也可防止外部污染气体的侵入。

本实用新型的创新点如下：

在传统滚筒研磨机的基础上添加了电磁装置，能促进反应快速、高效地进行。其余设备为已有设备或在已有技术，包括管路、阀门和仪器仪表，组成完整的系统，保证反应的运行。

本实用新型的有益效果为：

相较于目前工业合成氨采用的传统哈珀法规模复杂，需要高温高压高耗能的合成条件，存在高成本、高污染、高能耗等问题，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。本实用新型系统集成化程度高，制造设备结构安全可靠，可实现灵活缩放，满足不同的生产安装需求。

附图说明

图1为本实用新型连续制氨系统图。

图2为本实用新型连续制氨系统中合成发生装置的结构示意图。

图中：

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、产品氨出口N5；第一气相管路LG1、第二气相管路LG2、第三气相管路LG3、第四气相管路LG4、第一固相管路LS1、第二固相管路LS2、旋转体筒体MG-B、装置MG-A、MG-D、衬板MG-C。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，本实施例提供了一种温和条件下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）；

本实施例的系统整体处于独立密封场所内，按照如下流程进行：

首先进行整体设备的吹扫保护。具体地，通过氮气注入口N1持续注入吹扫保护气-氮气，经过第一进气处理装置(PT01)，对氮气进行去杂质和干燥。保护气-氮气依次吹扫第一到第四气相管路(LG1-LG4)及第一和第二合成发生装置（MG01、MG02）、气体分离装置（GSU）、气体回收装置（GRU），从而实现对整体设备的吹扫保护。排出的吹扫保护气-氮气混合其余杂质气体经氮气回收口N4排出。

第一和第二催化材料缓冲装置（FB01、FB02）及第一和第二固相管路（LS1-LS2）等已在系统运行前进行独立的吹扫保护气-氮气吹扫，催化材料已足量密封存于第一催化材料缓冲装置（FB01）中。

进一步地，进行催化材料（初始状态）的注入。

具体地，储存在第一催化材料缓冲装置（FB01）中的催化材料（初始状态），经相关控制阀门，进入到第一合成发生装置（MG01）中。

具体地，催化材料缓冲装置（FB01），其具有良好的密封，内部采用纯净、干燥的氮气保护，能够有效地杜绝氧气、水蒸气等污染气体的侵入。

进一步地，进行氮气的解离。

具体地，通过氮气注入口N1持续注入合成原料气-氮气，经过第一进气处理装置（PT01），对氮气进行去杂质和干燥。经相关控制阀门，进入到第一合成发生装置（MG01）中。

具体地，第一合成发生装置（MG01）启动，通过筒体旋转以及筒体表面布置的电磁磁性装置对合成发生装置中研磨体的磁性吸附作用，可以实现第一合成发生装置（MG01）以旋转式、振动式等其中一种或其组合的工作模式进行工作。此时，机械力化学摩擦过程中的机械碰撞原位促使催化材料产生的高缺陷密度，加速了氮的解离。由于氮的解离是放热反应，可以适当增加间隔停歇频率来释放热量，同时，可配合外接风冷系统对第一合成发生装置（MG01）降温。

进一步地，进行催化材料（反应中间产物）的转移。

具体地，由第一合成发生装置（MG01）中产生的表面吸附氮的催化材料（反应中间产物），经相关控制阀门、第一固相管路（LS1）等进入第二催化材料缓冲装置（FB02）中。

具体地，催化材料（反应中间产物）转移完成后，第一合成发生装置（MG01）可继续进行催化材料（初始状态）的注入和氮气的解离等工作。

进一步地，进行催化材料（反应中间产物）的注入。

具体地，储存在第二催化材料缓冲装置（FB02）中的催化材料（反应中间产物），经相关控制阀门，进入到第二合成发生装置（MG02）中。

具体地，第二催化材料缓冲装置（FB02）其具有良好的密封，内部采用纯净、干燥的氮气保护，能够有效地杜绝氧气、水蒸气等污染气体的侵入。

进一步地，进行氢气的置换。

具体地，通过氢气注入口N2持续注入置换气-氢气，经过第二进气处理装置（PT02），对氢气进行去杂质和干燥。置换气-氢气依次经第三和第四气相管路(LG3-LG4)及第二合成发生装置（MG02）、气体分离装置（GSU）、气体回收装置（GRU），从而实现对相关设备的原有气体的置换。通过气体回收装置（GRU）作用，排出的置换气-氢气经氢气回收口N3后回收利用或者做相关处理，其余气体经氮气回收口N4后回收利用或者做相关处理。

进一步地，进行加氢步骤。

具体地，通过氢气注入口N2持续注入合成原料气-氢气，经过第二进气处理装置（PT02），对氢气进行去杂质和干燥。经相关控制阀门，进入到第二合成发生装置（MG02）中。

具体地，第二合成发生装置（MG02）启动，通过筒体旋转以及筒体表面布置的电磁磁性装置对合成发生装置中研磨体的磁性吸附作用，可以实现第二合成发生装置（MG02）以旋转式、振动式等其中一种或其组合的工作模式进行工作。此时，机械力化学摩擦过程中的机械碰撞产生额外的能量，能促进强吸附的中间产物从活化催化材料表面分离，使得最终产品氨被释放。由于加氢步骤是吸热反应，可以适当减少间隔停歇频率。

进一步地，进行催化材料（氮被解离）的转移。

具体地，由第二合成发生装置（MG02）中产生的表面氮被解离的催化材料，经相关控制阀门、第二固相管路（LS2）等进入第一催化材料缓冲装置（FB01）中。

具体地，催化材料（氮被解离）转移完成后，第二合成发生装置（M02）可继续进行催化材料（反应中间产物）的注入和加氢步骤等工作。

进一步地，进行产品氨的分离。

具体地，当第二合成发生装置（MG02）中氨的浓度到达设定浓度时，进行产品氨的分离。此时，第二合成发生装置（MG02）中的氨气和其他混合气，经相关控制阀门、第四气相管路（LG4），通过气体分离装置（GSU）的作用，最终产品氨由产品氨出口N5收集至后续存储设备中。其他混合气通过气体回收装置（GRU）作用，混合气中的氢气经氢气回收口N3后回收利用或者做相关处理，其余气体经氮气回收口N4后回收利用或者做相关处理。

进一步地，上述过程中，第一和第二合成发生装置（MG01、MG02）与第一和第二催化材料缓冲装置（FB01、FB02）之间由第一和第二固相管路（LS1、LS2）等连接，通过传感器检测反馈和相关阀门控制，保证催化材料与反应中间产物在第一和第二合成发生装置（MG01、MG02）各自独立、不间断运转。

进一步地，上述过程中，原料反应气体氮气、氢气分别通过第一和第二进气处理装置（PT01、PT02），经第一和第二气相管路（LG1、LG2）进入第一和第二合成发生装置（MG01、MG02）中，通过传感器检测反馈和相关阀门控制，保证原料反应气体氮气、氢气持续不断、稳定地供给。

本实施例整套系统处于独立密封场所内，既防止内部气体泄漏造成危险，也可防止外部污染气体的侵入。由于催化材料的衰老等原因，运行足够的时间后，应对催化材料进行检查补充，保证产品氨的产量。当系统需要完全停机时，需通过氮气对整体设备进行吹扫保护，防止可燃气体及有毒气体的泄露造成危险。

以上仅实例说明根据可实现的条件，对一种温和条件下的可集成化连续制氨系统进行了分析，但用到的催化材料的选择、处理设备的种类、控制阀门的形式、检测仪器仪表的配置等都是可以根据实际需求，来灵活配置和变化的。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种温和条件下的可集成化连续制氨系统，其特征在于，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）；

2.根据权利要求1所述的一种温和条件下的可集成化连续制氨系统，其特征在于，在所述的气相管路和固相管路上设置监测仪表传感器和控制阀门。

3.根据权利要求1所述的一种温和条件下的可集成化连续制氨系统，其特征在于，第一合成发生装置（MG01）和第二合成发生装置（MG02）结构为：一种旋转体筒体（MG-B）外部布置固定式电磁磁性装置，电磁磁性装置包括上部电磁磁性装置（MG-A）和下部电磁磁性装置（MG-D），通过旋转体筒体（MG-B）旋转带动旋转体筒体（MG-B）中研磨体运动，以及电磁磁性装置对研磨体磁性吸附作用，其工作模式可实现旋转式、振动式模式等其中一种或其组合。

4.根据权利要求3所述的一种温和条件下的可集成化连续制氨系统，其特征在于，旋转体筒体（MG-B）材质为不易磁化的金属或者金属合金，且筒体内表面装有衬板（MG-C）。

5.根据权利要求1所述的一种温和条件下的可集成化连续制氨系统，其特征在于，第一催化材料缓冲装置（FB01）、第二催化材料缓冲装置（FB02）其具有良好的密封，内部采用纯净、干燥的氮气保护。