DE102010009500A1

DE102010009500A1 - Verfahren zur Herstellung von Ammoniak

Info

Publication number: DE102010009500A1
Application number: DE102010009500A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Auner Norbert
Original assignee: Spawnt Private SARL
Current assignee: Spawnt Private SARL
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Also published as: US20130039834A1; WO2011104386A3; EP2539278A2; WO2011104386A2; BR112012021574A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch Umsetzung von N2 mit H2 unter Erzeugung einer Niedrigtemperatur-Plasmaentladung beschrieben. Das Gasgemisch, in dem die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung erzeugt wird, kann zusätzlich ein verdünnendes Inertgas und/oder die Plasmaentladung begünstigende Zumischungen enthalten. Ferner kann die Reaktion in Gegenwart eines Katalysators ablaufen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, von denen das Haber-Bosch-Verfahren am bekanntesten ist. Des Weiteren ist das sogenannte Serpek-Verfahren bekannt, das die Hydrolyse von Nitriden betrifft. Die Hydrolyse von Siliciumnitrid ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2009 011 311.8 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen anderen besonders einfachen und wirtschaftlichen Weg zur Herstellung von Ammoniak aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch Umsetzung von N₂ mit H₂ unter Erzeugung einer Niedrigtemperatur-Plasmaentladung gelöst.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung des Ammoniaks ein Plasmaprozess verwendet. Dabei zeichnet sich die Zone, in der die Reaktion zum Ammoniak erfolgt, durch vergleichsweise niedrige Gastemperaturen sowie durch ebenfalls vergleichsweise niedrige Wandtemperaturen des Reaktors aus.
Als „Plasma” im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gas oder ein Gasgemisch bezeichnet, das sich durch einen variablen Anteil von nicht-neutralen Gasteilchen auszeichnet, der gegenüber dem durch die natürlichen Umgebungsbedingungen entstehenden erhöht ist.
Als „Plasmaentladung” im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Erzeugung eines Plasmas durch Beaufschlagen eines Gases oder Gasgemisches mit geeigneten Energieformen bezeichnet. Die Plasmaentladung ist, abhängig von den Bedingungen der Plasmaerzeugung, nicht zwingend von optischen Effekten, wie einem sichtbaren Leuchten, begleitet.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Ammoniak fällt als farbloses Gas an, das aus dem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Plasmareaktor abgeführt und einer entsprechenden Weiterverwendung zugeführt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Ammoniak lässt sich grundsätzlich mittels zweier verschiedener Ausführungsformen der Plasmareaktion verwirklichen: Bei einer ersten Variante wird die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung in einem aus N₂ und H₂ bestehenden oder N₂ und H₂ enthaltenen Gasgemisch erzeugt.
Bei einer zweiten Variante wird die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung in einem Gas erzeugt, dem nachträglich ein aus N₂ und/oder H₂ bestehendes oder N₂ und/oder H₂ enthaltendes Gas zugemischt wird.
Das Gas, in dem die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung erzeugt wird, kann zusätzlich ein verdünnendes Inertgas, insbesondere Argon oder Helium, und/oder die Plasmaentladung begünstigende Zumischungen enthalten. In beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Plasmaerzeugung durch geeignete Maßnahmen zusätzlich unterstützt werden. Nicht einschränkende Beispiele für solche unterstützende Maßnahmen sind etwa die Injektion von Elektroden aus einer Glühkathode oder einer Elektronenkanone oder die Erzeugung freier Ladungsträger durch Anlegen einer Hochspannung oder der Einsatz ionisierender Strahlung.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung durch Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, insbesondere von Mikrowellenenergie, erzeugt.
In einer Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer Mischung aus Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂) unter vermindertem Druck durch Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, beispielsweise durch Mikrowellenbestrahlung, ein Plasma erzeugt. Die Einstrahlung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen.
Bei einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform wird zur Stabilisierung des Plasmas zusätzlich eine Hochspannung (Gleichspannung oder Wechselspannung) zwischen zwei außerhalb der Entladungszone befindlichen Elektroden angelegt, durch die der Entladungsstrom freie Ladungsträger in der Entladungszone erzeugt. Hierbei wird die Einkopplung des elektromagnetischen Wechselfeldes in die Gasmischung entscheidend erleichtert, so dass die Plasmaerzeugung bereits bei deutlich geringerer Einstrahlungsenergie gelingt als ohne angelegte Hochspannung. Des Weiteren erlaubt diese hochspannungsgestützte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verwendung höherer Drücke innerhalb der Reaktionszone, so dass die Menge des erzeugten Ammoniaks pro Volumen und Zeit erhöht wird.
In einer Variante der zweiten Ausführungsform wird in einem Wasserstoff-Gasstrom unter vermindertem Druck durch ein elektromagnetisches Wechselfeld, beispielsweise Mikrowellenstrahlung, ein Plasma erzeugt, wobei die Plasmaerzeugung durch das Anlegen einer Hochspannung zwischen zwei außerhalb der Plasmazone befindlichen Elektroden unterstützt wird. Auf die Plasmazone folgend wird in den Wasserstoffstrom Stickstoff eingeführt, welches zu Ammoniak umgesetzt wird (Remote-Plasma).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung durch das Einbringen freier Ladungsträger in die Entladungszone unterstützt, wobei die freien Ladungsträger insbesondere durch Anlegen einer Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet eine Niedrigtemperatur-Plasmaentladung statt. „Niedrigtemperatur” bedeutet hier, dass mit einer Temperatur gearbeitet wird, die von Raumtemperatur bis 800°C reicht. Vorzugsweise wird mit einer Temperatur unter 400°C, bevorzugter unter 300°C gearbeitet.
Mit „Temperatur” ist hier die Reaktortemperatur gemeint, bei der es sich insbesondere um die Wandtemperatur des Reaktors, in dem die Ammoniakherstellung erfolgt, handelt.
Die Reaktorwände können während der Reaktion zur Kontrolle der Temperatur durch geeignete Maßnahmen gekühlt werden. Beispiele geeigneter Maßnahmen sind Überleiten eines Luftstromes oder der Einsatz von an den apparativen Aufbau angepassten Kühlflüssigkeiten.
Die Ammoniakherstellung erfolgt vorzugsweise bei einem Druck von 5–20 mbar. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Druckbereich die höchste Ausbeute an Ammoniak erzielbar ist.
Es hat sich ferner gezeigt, dass die Durchführung einer katalytischen Umsetzung in Gegenwart eines Katalysators in Bezug auf die Ausbeute und/oder den Reaktionsverlauf Vorteile mit sich bringt. Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt daher die Umsetzung von N₂ mit H₂ in Gegenwart eines Katalysators. Bevorzugte Katalysatoren sind Erdalkalimetalloxide, MgO oder Platin.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009011311 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Ammoniak durch Umsetzung von Stickstoff (N₂) mit Wasserstoff (H₂) unter Erzeugung einer Niedrigtemperatur-Plasmaentladung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung in einem aus N₂ und H₂ bestehenden oder N₂ und H₂ enthaltenden Gasgemisch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung in einem Gas erzeugt wird, dem nachträglich ein aus N₂ und/oder H₂ bestehendes oder N₂ und/oder H₂ enthaltendes Gas zugemischt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, in dem die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung erzeugt wird, zusätzlich ein verdünnendes Inertgas, insbesondere Argon oder Helium, und/oder die Plasmaentladung begünstigende Zumischungen enthält.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung durch Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, insbesondere von Mikrowellenenergie, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedrigtemperatur-Plasmaentladung durch das Eindringen freier Ladungsträger in die Entladungszone unterstützt wird, wobei die freien Ladungsträger insbesondere durch Anlegen einer Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakherstellung bei einem Druck von 5–20 mbar erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakherstellung bei einer Temperatur erfolgt, die von Raumtemperatur bis 800°C erreicht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandtemperatur eines Reaktors, in dem die Ammoniakherstellung erfolgt, zwischen Raumtemperatur und 800°C gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung von N₂ mit H₂ in Gegenwart eines Katalysators erfolgt.