JP2024520877A - モジュール式で輸送可能なクリーンな水素－アンモニア製造装置 - Google Patents
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Abstract
空気、水、および電源から無水アンモニアを製造するためのコンテナ化されたシステムは、低温電解装置、高温電解装置、バットライザまたは他の方法によって水源から水素ガスを製造するコンテナ化された水素製造ユニットと、加圧空気を生成して貯蔵する搭載型空気圧縮・貯蔵ユニット、圧力スイング吸着プロセス、またはメンテナンスの必要がない、圧縮空気を取り込み、一連の吸着・脱着プロセスを通じて窒素ガスを製造する、再生分子を使用する他の方法、あるいは空気から窒素を製造する他のそのような方法を含むコンテナ化された窒素製造ユニットと、加圧空気を用いて水素ガスと窒素ガスの混合物の圧力を上昇させるガスブースタ、直列または並列に接合された多反応器アセンブリ、およびアンモニアを未反応ガスから分離する再循環ループを含むコンテナ化されたアンモニア製造ユニットとを備える。【選択図】図１
Description
関連出願の相互参照
本非仮特許出願は、２０２１年６月７日に提出された米国仮特許出願第６３／１９７，８８４号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張するものであり、この仮特許出願は参照により本出願に明示的に組み込まれる。
本非仮特許出願は、２０２１年６月７日に提出された米国仮特許出願第６３／１９７，８８４号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張するものであり、この仮特許出願は参照により本出願に明示的に組み込まれる。
１．発明の分野
本発明は、空気、水、および電気（特に、再生可能エネルギー由来のクリーンな電気）のみをシステム入力として利用する、モジュール式でコンテナ化された輸送可能な水素および／または無水アンモニア製造装置の開発を伴う。
本発明は、空気、水、および電気（特に、再生可能エネルギー由来のクリーンな電気）のみをシステム入力として利用する、モジュール式でコンテナ化された輸送可能な水素および／または無水アンモニア製造装置の開発を伴う。
２．背景技術の記載
従来の水素および／またはアンモニア合成は、炭素を伴う炭化水素燃料を使用し、その結果、製造段階で有害な排出物が大量に発生するため、環境に有害であると認識されている。高温高圧下での窒素と水素の合成によるアンモニアの製造プロセスは、当該技術分野において古くから知られている。アンモニア合成プロセスで初期生成物として利用される水素と窒素は、多様な方法で調製することができる。世界中のほぼすべての既存のアンモニア製造プラントは、主にこのような化石燃料を使用して、ハーバー・ボッシュ法を通じてアンモニアに合成する。また、現在のアンモニア合成は集中生産を伴い、大規模な化学プラントや産業のみが、さまざまな分野で幅広く使用されるこの重要な化学物質を合成している。以上のことから、最近の技術では、持続可能な原料として空気と水からアンモニアを製造する、よりクリーンな方法に注目が集まっている（米国特許出願公開第２０１１／０２４３８２８ Ａ１号、米国特許出願公開第２０１３／００３９８３３ Ａ１号、米国特許出願公開第２０１９／００９２６４５ Ａ１号を参照）。しかしながら、空気から抽出された窒素（圧力スイング吸収法またはその他のプロセスによる）と水から抽出された水素（電気分解法またはその他のプロセスによる）の混合物を、温度と圧力を上げた状態で触媒上を通過させると、ガスのごく一部がアンモニアに変換されることが知られている。
従来の水素および／またはアンモニア合成は、炭素を伴う炭化水素燃料を使用し、その結果、製造段階で有害な排出物が大量に発生するため、環境に有害であると認識されている。高温高圧下での窒素と水素の合成によるアンモニアの製造プロセスは、当該技術分野において古くから知られている。アンモニア合成プロセスで初期生成物として利用される水素と窒素は、多様な方法で調製することができる。世界中のほぼすべての既存のアンモニア製造プラントは、主にこのような化石燃料を使用して、ハーバー・ボッシュ法を通じてアンモニアに合成する。また、現在のアンモニア合成は集中生産を伴い、大規模な化学プラントや産業のみが、さまざまな分野で幅広く使用されるこの重要な化学物質を合成している。以上のことから、最近の技術では、持続可能な原料として空気と水からアンモニアを製造する、よりクリーンな方法に注目が集まっている（米国特許出願公開第２０１１／０２４３８２８ Ａ１号、米国特許出願公開第２０１３／００３９８３３ Ａ１号、米国特許出願公開第２０１９／００９２６４５ Ａ１号を参照）。しかしながら、空気から抽出された窒素（圧力スイング吸収法またはその他のプロセスによる）と水から抽出された水素（電気分解法またはその他のプロセスによる）の混合物を、温度と圧力を上げた状態で触媒上を通過させると、ガスのごく一部がアンモニアに変換されることが知られている。
例えば、米国特許出願公開第２０１１／０２４３８２８ Ａ１号において、発明者は、空気と水からアンモニアを製造するために、圧力を発生させる駆動力としてピストンを使用し、加圧容器としてシリンダを使用するプロセス方法を開示しており、この方法は、圧力スイング吸着によって空気から窒素ガスを製造すること、水の電気分解によって水素ガスを製造すること、窒素ガスを第１のピストンシリンダで圧縮して加圧窒素ガスを製造すること、水素ガスを第２のピストンシリンダで圧縮して加圧水素ガスを製造すること、加圧窒素ガスと水素ガスの混合物を第３のピストンシリンダで圧縮すること、圧縮された混合物を触媒の存在下で加熱して窒素と水素を反応させてアンモニアを形成すること、および混合物からアンモニアを抽出することを含む。しかしながら、潤滑剤の存在なしにシリンダ内にピストンを押し込むことは非常に非効率的であり、潤滑剤を使用すると反応容器内の汚染を引き起こす恐れがあり、その結果アンモニアの収率に影響を与えることがよく知られている。また、このような機械構成要素の必要性は、高額なメンテナンスコストを必要とし、これによりシステムは実用化が困難になり、非効率的になる。
米国特許出願公開第２０１３／００３９８３３ Ａ１号では、風力発電などの再生可能エネルギー源を動力源とする、空気と水を原料とするアンモニア製造プロセスが開示されている。開示されたプロセスは、電気分解プロセスを利用し、電気源を供給することで水を水素と酸素に分解する。窒素は圧力スイング吸着法によって空気から抽出される。ここで、窒素と水素を混合して合成ガスストリームを形成する。未反応ガスストリームは高圧に圧縮され、反応器に入る前に循環反応合成ガスと混合される。反応合成ガスは、未反応合成ガスストリームまたは周囲の水などの低温流体との間接的な熱交換により、アンモニアの露点未満に冷却される。冷却によって圧力が下がり、アンモニアが凝縮して液体になる。しかしながら、米国特許出願公開第２０１３／００３９８３３ Ａ１号のシステムには予熱器が含まれていないため、アンモニア反応は理想的な温度と圧力で行われない。
米国特許出願公開第２０１９／００９２６４５ Ａ１号では、合成されたアンモニアが実質的に水素を含まない電気分解法を採用し、膜分離またはＰＳＡを用いたアンモニア分離回収処理と組み合わせてアンモニアを合成している。むしろ、米国特許出願公開第２０１９／００９２６４５ Ａ１号は、水と窒素を含む電解反応器におけるアンモニアの直接電気化学合成を利用している。ここでは、電気分解法により水を電気分解する反応器を用い、生成した水素イオンと窒素を反応させてアンモニアを合成する。しかしながら、水から直接、科学用語でいう「電気化学的に」アンモニアを合成することは、商業的には不可能である。水から直接アンモニアを合成する科学的なブレークスルーは達成可能だが、アンモニア生成率が低すぎ、エネルギー消費量も規模的に許容できない。例えば、アンモニア合成反応の標準電気化学電位は１．１２７ボルトであるのに対し、水の電気分解の標準電気化学電位は１．２３ボルトである。アンモニア合成と水の電気分解の理論的なセル電位は非常に近く、これは水と窒素からアンモニアを直接合成する際に解決すべき現実的な問題となる。実際の設定では、アンモニア合成のセル電位は水素生成のそれよりもはるかに高い。したがって、水素生成反応は、熱力学的にアンモニア合成よりも常に有利である。
さらに、他のアンモニア合成開発には、統合システムおよび分離プロセスの他の方法が含まれる（例えば、ＣＮ ２０２１／１１１４９８８６８Ｂ号、ＥＰ ２０１３／２６１０４５３ Ａ１号、米国特許出願公開第２０１２／０１０００６２ Ａ１号、米国特許出願公開第第２００６／０２４３５８５号を参照）。
また、膜分離または圧力スイング吸着などの縮合分離プロセスを用いようとすると、アンモニアを透過側または非吸着側で回収しようとする場合にはアンモニアと水素を分離することが困難であり、アンモニアを非透過側または吸着側で回収しようとする場合にはアンモニアと窒素を分離することが困難であり、その結果、アンモニアの回収率が極端に低下することは、当該技術分野においてよく知られている。
上述したアンモニア合成の開発とは対照的に、本発明は、コンテナ化され、モジュール化され、輸送可能な水素－アンモニア合成装置を備えたユニークなものである。言い換えれば、開発されたシステムは、コンテナ化され輸送可能なサイズの無水アンモニア合成装置（フレキシブルな生産能力を持つ）であり、再生可能エネルギー電力を使用するクリーンな水素－アンモニアシステムとして使用することができる。アンモニア合成は、従来、大規模な工業プラントや施設で行われており、したがって、本システムは、大規模プラントに依存するのではなく、アンモニアを必要な場所で製造、貯蔵、輸送するための水素－アンモニアのモジュール化された製造を可能にし得る。本発明は、モジュール化され、輸送可能で、効率的で、信頼性が高く、コンテナ化され、環境にやさしく、持続可能なアンモニア製造方法を提供する実用的なプロトタイプを実現するものであり、従来のアンモニア製造技術に現在関連付けられる有害な環境排出、非効率的な転換方法、集中生産要件という課題を克服する助けとなり得る。
本発明の一実施形態において、環境に優しく、モジュール化され、輸送可能で、分散化され、好都合な方法でアンモニアを製造できる、モジュール化され、コンテナ化された新しい水素－アンモニア製造装置が開発される。このシステムは、現在の集中型水素・アンモニア合成設備に伴う課題を克服する可能性を提供する。現在、水素とアンモニアの従来の合成は、大型の現場で組み立てられた化学プラントでのみ行われている。この集中製造方式では、アンモニアの輸送や貯蔵に関していくつかの問題や課題がある。したがって、本発明のアンモニア製造装置は、アンモニアが必要とされるあらゆる場所に運ぶことを可能にする輸送可能性によって、これらの課題を解決する助けとなる。本実施形態において、本明細書で提供されるシステムは、輸送可能な水素およびアンモニアシステムを形成する単一のコンテナ化システムまたは複数のコンテナ化サブシステムを備える。多くの市販の出荷用コンテナは、当業者によって、本明細書で提供されるシステムの輸送および配備に使用するために適合させることができる（例えば、米国特許出願公開第２０１３／０２３３７５５ Ａ１号明細書および国際公開第２００６／０４５０７７号パンフレット参照）。本明細書で提供される本システムおよび方法では、水素およびアンモニアを製造現場から利用地点まで輸送する必要はない。
「コンテナ化」という用語は、一般に、ある現場から別の現場への物品の出荷に使用される商業的に構築されたコンテナを包含する。市販の出荷用コンテナには、さまざまな標準サイズおよび分類があり得る。例えば、出荷用コンテナの標準的なサイズは、１０フィート、２０フィート、３０フィート、４０フィート、４５フィートであり、このようなコンテナの分類には以下のものが含まれるが、これらに限定されない：ＡＴＥＸ認定防爆性、クラス１ディビジョン１＆２／クラス１、ゾーン１＆２／クラス３、ディビジョン１＆２。「輸送可能」という用語は、一般に、空輸、水上輸送、または陸上輸送を含む輸送または出荷の方法を含む。
さらに、本発明のシステムは、空気と水を入力として使用することにより、環境に優しい方法で水素と無水アンモニアの両方を合成する。したがって、本発明は、現在のアンモニア合成プラントに関連する大量の排出要因を克服する。本発明のアンモニア製造装置は、コンテナ化された商業的方法でアンモニアをクリーン合成するための新しい設計方法論とシステム統合技術を利用する。アンモニア合成に必要な水素は、最新の低温電解装置、高温電解装置、バットライザ、または液体／蒸気媒体から水素を製造する他のそのような方法によって得られ、製造された水素は９９．９９５％の最低純度を有する。加えて、アンモニア合成に必要な窒素は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセスや、加圧された空気を取り込み、一連の吸着・脱着プロセスを経て窒素ガスを製造するその他の窒素製造方法、または製造された窒素が９９．９９５％の最低純度を有する空気から窒素を製造する他のそのような方法によって得られる。製造された水素ガスと窒素ガスは、一連の膨張／バッファタンクで乾燥され、反応圧力まで加圧されるか、同じ圧力でブレンドされ、反応圧力まで昇圧された後、搭載型混合ガス昇圧機構によりアンモニア合成に必要な反応温度まで別の容器内で加熱される。バッファタンクは、水素と窒素を反応圧力で貯蔵するために使用され、さらに理想的な反応圧力を維持するために、油圧タンクに接続された圧縮アキュムレータシステムを利用することもある。さらに、適切な触媒を備えたオープントップ構成のアンモニア合成反応器により、アンモニアガスが製造される。本発明のモジュール式クリーンアンモニア合成システムには、カスケード反応器構成と並列反応器構成を備える２つの異なるシステム操作技術が関与し得る。多反応器アセンブリは、アンモニアの製造を制御し、収率を最大化するのに適した、直列または並列に接合された反応器のセットとすることができる。反応器排気は、アンモニアが液化して未反応混合物から分離することを可能にする一連の熱交換器および凝縮器を通過する。代替的に、反応器排気は熱交換器を通過し、再循環ガスを再加熱し、さらに排気ガスを冷却しながら新しい入力ガスを加熱する。このプロセスは、反応熱を新たなエネルギー源として使用することにより、さらなる熱を加えることなくシステムが運転し続けることを可能にし、必要なエネルギーをさらに低減する。
本発明の一実施形態は、空気および水から無水アンモニアを製造するためのコンテナ化されたシステムに向けられており、このシステムは、製造される水素が９９．９９５％の最低純度を有する、最新の低温電解装置、高温電解装置、バットライザ、または液体／蒸気媒体から水素を製造する他のそのような方法によるもの；空気から窒素ガスを抽出する圧力スイング吸着空気分離ユニット；加圧空気を生成する空気圧縮機；加圧空気を使用して水素ガスと窒素ガスの混合物の圧力を上昇させる混合ガスブースタ；第１の反応器がガスブースタからの水素ガスと窒素ガスの混合物を予熱し、多反応器アセンブリが水素ガスと窒素ガスの予熱された混合物を触媒してアンモニアを理想的な圧力および温度で生成するための触媒を装填される複数の反応器；および、アンモニアを未反応ガスから分離する再循環ループを備える。
この実施形態は、冷却のために空気圧縮機を通して水をポンプで送る水中ポンプを備えた貯水槽；空気圧縮機によって加熱された水が空気圧縮機から出て、加熱された水を水素ガスに変換する電解装置に入ることを可能にする第１のライン；および、未反応の水と酸素が電解装置から出て貯水槽に戻ることを可能にする第２のラインをさらに備え得る。
再循環ループは、アンモニアガスを凝縮して液体アンモニアにする空冷式または水冷式の凝縮器；未反応ガスをガスブースタまたは第１の反応器に戻す第３のラインを備え得る。再循環ループは、無水アンモニアが両方の収集容器に沈降するように、および収集容器内の圧力が平衡に保たれるように、収集容器の底部で並列に接続された１つまたは複数の無水アンモニア収集容器をさらに備え得る。一方、再循環ループは、システム内の廃熱を介して動作し、アンモニアガスを液化する吸収冷却システムベースの冷蔵ユニット；および、未反応ガスをガスブースタまたは第１の反応器に戻す第３のラインを備え得る。
この実施形態は、空気圧縮機からの加圧空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵タンクをさらに備え得る。ガスブースタの出口は、水素ガスと窒素ガスの混合物がアンモニアを製造するために予熱される第１の反応器または触媒反応器アセンブリ排気熱交換器の加熱側に接続されてもよく、第１の反応器の出口は、水素ガスと窒素ガスの混合物のアンモニアへのさらなる変換が２００℃～３５０℃の適切な温度範囲および１００バール～２００バールの圧力範囲で起こる適切な触媒の存在下で多反応器アセンブリに接続されてもよい。多反応器アセンブリは、アンモニアの製造を制御し、収率を最大化するのに適した、直列または並列に接合された反応器のセットとすることができる。これに対応して、熱交換器の冷却側は、前述のアンモニア凝縮システムに入る前に、触媒反応器からの出口ガスを冷却するために使用することができる。
本発明の別の実施形態は、空気と水からアンモニアを製造するためのコンテナ化されたプロセスに向けられており、このプロセスは、水電解装置を用いて水から水素ガスを製造すること；圧力スイング吸着空気分離ユニットを用いて空気から窒素ガスを抽出すること；空気圧縮機を用いて加圧空気を生成すること；ガスブースタを用いて加圧空気を使用して水素ガスと窒素ガスの混合物の圧力を上昇させること；ガスブースタからの水素ガスと窒素ガスの混合物を第１の反応器で予熱すること；触媒を装填した多反応器アセンブリ内で水素ガスと窒素ガスの予熱された混合物を触媒してアンモニアを形成すること；および、再循環ループ内で未反応ガスからアンモニアを分離することを含む。
この実施形態は、水中ポンプを用いて冷却のために空気圧縮機を通して貯水槽内の水をポンプで送ること；空気圧縮機によって加熱された水が空気圧縮機から出て、加熱された水を水素ガスに変換する電解装置に入ることを可能にすること；および、未反応の水と酸素が電解装置から出て貯水槽に戻ることを可能にすること、をさらに含み得る。予熱ステップは、水素ガスと窒素ガスの混合物の圧力を上昇させることをさらに含み得る。
分離ステップは、空冷または水冷凝縮器でアンモニアガスを液体アンモニアに凝縮させること；未反応ガスをガスブースタまたは第１の反応器に戻すことを含み得る。分離ステップはさらに、液体アンモニアを並列に接続された１つまたは複数のアンモニア収集容器の底に沈降させることを含んでいてもよく、収集容器内の圧力は平衡に保たれる。一方、分離ステップは、システム内の廃熱を介して動作する吸収冷却システムベースの冷蔵ユニットでアンモニアガスを液化すること；および、未反応ガスをガスブースタまたは第１の反応器に戻すことを含み得る。
この実施形態はまた、空気圧縮機からの加圧空気を圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵することをさらに含み得る。ガスブースタの出口は、水素ガスと窒素ガスの混合物が予熱されてアンモニアを製造する第１の反応器に接続されてもよく、第１の反応器の出口は、水素ガスと窒素ガスの混合物のアンモニアへのさらなる変換が行われる多反応器アセンブリに接続されてもよい。一方、ガスブースタの出口は、予熱器と多反応器アセンブリの両方に接続されてもよい。多反応器アセンブリの触媒は、多床式触媒であってもよい。多反応器アセンブリは、アンモニアの製造を制御し、収率を最大化するのに適した、直列または並列に接合された反応器のセットとすることができる。異なる負荷で、つまりシステムの負荷をオン・オフしたり変化させたりして運転するために、変化に迅速に対応できる反応器のセットが必要である。この問題は、反応器内部のガス間熱伝達から生じる。高速応答を得るためには、反応器の熱伝達を加熱に対して高速応答するように設計しなければならない。反応器の寸法は、触媒の装填、反応速度、温度と圧力、反応物の濃度に依存する。理想的に小型の反応器は、壁対容積の比率が高いため触媒合成に有利であるが、容積が小さいため処理に苦慮する。したがって、多反応器アセンブリという用語は、アンモニアの製造速度が一緒に組み立てられた反応器の数に大きく依存する、設定された数の小型反応器を含む。
本発明のさらなる適用範囲は、以下に与えられた詳細な記載から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の趣旨および範囲内での様々な変更および修正はこの詳細な記載から当業者には明らかになるであろうから、詳細な記載および具体的な例は、本発明の好ましい実施形態を示す一方で、例示のためにのみ与えられていることを理解されたい。
本発明は、もっぱら例示として与えられ、本発明を限定しない以下の詳細な記載および添付の図面からより完全に理解されるであろう。図面において、同様の参照数字は、様々な図において同様の特徴を示すために使用される。
本発明のコンテナ化された輸送可能なグリーンアンモニア製造装置は、空気、水、および電気入力から無水アンモニアを製造する。好ましいシステムは、２０フィートのコンテナから多数のコンテナまでのコンパートメントサイズ内にすべての構成要素を囲い入れて、入力として電気、水、空気のみで動作するように独自に設計されている。しかしながら、好ましくは５０ｋｇ／日から１０００ｋｇ／日の間である所望の生産量に応じて、より大型または小型の輸送可能な構成も可能である。
図１は、本発明の全体的なプロセスフローを表す概略図である。
空気入口２００は、空気（好ましくは室温および大気圧）が空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に入ることを可能にする。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気中の空気を取り込み、加圧する。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、好ましくは１０～１００バール、より好ましくは７０～１００バールの高圧で空気を貯蔵することができる。その後、必要に応じて空気を低圧に調節することができる。例えば、空気は４～３０バール、好ましくは４～５バールで使用することができる。この圧力は、吸着プロセスと、それに続く脱着プロセスを行うために必要である。圧縮・貯蔵ユニット２１０は、往復圧縮機またはスクリュー圧縮機であり得る。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気空気を加圧し、入口２２０を介して窒素製造ユニット（ＮＰＵ）２２５に送る。入口２２０は、調節された圧力、好ましくは３～６バールでＮＰＵ２２５に空気を供給する。ＮＰＵ２２５は、空気から酸素と窒素を吸着ベースで分離する。吸着剤は、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、または他の適切な吸着剤であり得る。例えば、ＮＰＵ２２５は、炭素モレキュラーシーブで満たされた密閉コンテナを含み得る。コンテナ内の加圧雰囲気とモレキュラーシーブの存在により、空気中の酸素分子が吸着される。酸素分子が吸着されると、残りの窒素分子はコンテナから出て別の密閉区画に入る。窒素はＮＰＵ出口２４０を通ってＮＰＵ２２５を出て、膨張タンク２４５に入る。ＮＰＵ出口２４０の窒素は、好ましくは２６～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。膨張タンク２４５内の窒素はわずかに、好ましくは２５～４０℃に冷却される。膨張タンク２４５はどのような大きさでもよいが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。膨張タンク２４５は、窒素を乾燥させるためのふるい分子を含んでいてもよく、また、１０～５０バールの間の圧力を維持するためのアキュムレータとブラダー油圧システムを備えていてもよい。必要に応じて、窒素は窒素膨張タンク出口２５０を通って膨張タンク２４５から出る。
水入口３００は、水（好ましくは室温および３～５バール）が水処理・貯蔵ユニット３１０に入ることを可能にする。水は純水であり得る。また、水処理プロセスがシステムに統合されている場合、水はかん水、海水、塩水、または廃水であってもよい。このように、水処理・貯蔵ユニット３１０は、逆浸透プロセス、かん水の浄化、または廃水処理プロセスを含み得る。その後、水は、好ましくは３０～６０℃の温度および３～５バールの圧力で、水処理・貯蔵ユニット出口３２０を経由して水処理・貯蔵ユニット３１０を出て、搭載型水素を製造する水素製造ユニット（ＨＰＵ）３２５に入る。水素製造ユニット３２５は、低温電解装置、高温電解装置、バットライザ、または液体／蒸気媒体から水素を製造する他のそのような方法によるものであり得、製造された水素は９９．９９５％の高純度を有する。
水素製造ユニット３２５は、廃熱を利用して水を最初に予熱する、本発明のシステムにおいて独自の方法で使用される低温ＰＥＭ電解装置であり得る。水素製造ユニット３２５への入力水の温度を上げることで、水素製造速度とシステム全体の効率を向上させることができる。したがって、空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に冷却を提供し、水素製造ユニット３２５への入力として機能し、アンモニア合成中の水素製造を強化する新しい水循環設計を採用することができる。水素製造ユニット３２５は、２～５０バール（より好ましくは１０～５０バール）の圧力で水素ガスをシステム内に導入できる高圧ＰＥＭ型電解装置であることが好ましいが、正確な圧力は、選択される電解装置のタイプの定格出力によって決定される。ＰＥＭ型電解装置では、スルホン化ポリスチレンなどの固体電解質が使用される。陽極と陰極のコンパートメントを分離するために、ナフィオン製の膜が設置される。膜の役割は、Ｈ＋の輸送を可能にしながら、水素と酸素を分離することである。陽極ではＨ２Ｏが消費され、陰極ではＨ２Ｏが電解装置の温度を下げるために使用される。これは、両方のコンパートメントで水を循環させることによって行われる。水素製造ユニット３２５の温度は、好ましくは２５～４６℃である。
水素は、ＨＰＵ出口３４０から水素製造ユニット３２５を出る。水素は、好ましくは２５～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％の高純度、露点５ｐｐｍ以下である。水素はその後、水素膨張タンク３５５に入る。水素膨張タンク３５５は任意のサイズとすることができるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。水素膨張タンク３５５は、水素を乾燥させるために五酸化リンを含んでいてもよく、また、１０～５０バールの圧力を維持するためのアキュムレータとブラダー油圧システムを備えてもよい。必要に応じて、水素は窒素膨張タンク出口３６０を通って水素膨張タンク３５５から出る。水素の圧力は、圧力レギュレータで調節することができる。
窒素膨張タンク出口２５０を経由して膨張タンク２４５から出る窒素と、窒素膨張タンク出口３６０を経由して水素膨張タンク３５５から出る水素は、ともに２５～４０℃および１０～５０バールで窒素および水素入力４０１に入る。膨張タンク２４５と水素膨張タンク３５５を使用して、水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルという化学量論的比率で、窒素と水素の入力４０１へのガスの流入を制御することができる。この比率は最適に近いが、他の比率も可能である。比率が異なれば、得られる量も異なる。水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルのモル比の反応物混合物は、マスフローコントローラとソレノイドバルブの使用によって得ることができる。窒素マスフローコントローラは窒素の流量を制御し、水素マスフローコントローラは水素の流量を制御し得る。
適切なモル比の水素と窒素の反応物混合物は、混合ガスブースタに入る。ガスブースタは、反応物混合物の圧力を約４～３０バール（好ましくは２５～３０バール）から約９０～１８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バール（より好ましくは１３５～１５０バール）まで上昇させる。しかしながら、圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択される他の構成要素のタイプに基づいて、任意の適切な圧力とすることができる。ガスブースタは、水素と窒素の混合ガスを高圧で圧縮する混合ガス圧縮機に置き換えることもできる。同様に水素圧縮機は本発明のシステムから圧縮空気貯蔵タンクの必要性を排除する。
次に混合ガスは混合ガスブースタ出口４０８からガスブースタを出るが、ここで圧力と流量はそれぞれレギュレータバルブとマスフローコントローラで制御することができる。混合ガスは次に、予熱器入口４２９を介して、１０～１００ｋＷ（好ましくは１０～４０ｋＷの範囲）の加熱電力を有する電気ヒータを備えた予熱器４６０に入る。予熱器４６０は、任意の所望のサイズであってよいが、好ましくは、０．００８～０．１ｍ３の容積を有し、管状である。予熱器４６０はステンレス鋼製でもよい。予熱器４６０は、混合ガスの温度および圧力を、好ましくは２５０～４５０℃および１００～３００バールに上昇させる。予熱器４６０を出るガスの好ましい動作温度は、３００℃プラスマイナス１０℃である。しかしながら、温度と圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択された他の構成要素のタイプに基づく任意の適切な温度および圧力とすることができる。次いで、加熱された混合ガスは予熱器出口４７０を介して予熱器４６０を出て、この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができ、混合ガスはアンモニア反応器４８０に入る。
アンモニア反応器アセンブリ４８０は、任意の所望のサイズであってよいが、好ましくは、０．００８～０．８ｍ３（好ましくは、０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。反応器４８０は、好ましくは３１６ステンレス鋼材料または他の適切な材料から作られ、サイズは所望の処理速度によって決定される。日産１００ｋｇを処理するためには、反応器の長さは約１～２ｍ、直径は約１０～２０ｃｍである。日産３００ｋｇを処理するためには、最適な配置で、好ましくは直列または並列に接続された５つの反応器が、約１～２ｍの長さおよび約１０～２０ｃｍの直径を有し得る。反応器には触媒が含まれる。触媒床は軸方向に放射状に配置された円筒形のバスケットで、上部のスクリーンが開いており、カプセルに挿入することができる。カプセルは、触媒バスケットを圧力容器の壁から分離する（壁に沿った冷却と均等な熱伝達のため）。ラジアルフローは、オープントップ構成の反応器で好ましい。カプセルは、触媒の装填と取り出しの操作を簡素化する。触媒は酸素に非常に敏感であるため、システムへの装填の際には慎重な配慮が必要である。したがって、前述の設計記述を用いれば、触媒を適切な条件（例えば窒素雰囲気、ダストを除去するためのふるい分け、床全体の均一性を確保するための高密度ローダーによる装填）でシステム外で装填し、反応器に移送・挿入することができる。経年劣化や不活性化により、メンテナンスは約２５年後に行われる。
さらに、反応器４８０内の温度及び圧力は、温度センサ及び圧力センサを通して記録することができる。反応器４８０は、必要な反応条件に応じて反応器に伝達される熱エネルギーを生成するために電気と加熱コイルを利用する、１０～１００ｋＷの加熱出力を有する電気炉で覆われていてもよい。この熱エネルギーは、始動時や触媒の活性化時に利用することができる。アンモニア合成プロセスは本質的に発熱性であり、アンモニアが製造されると、発生した熱は反応器４８０を高い反応温度に維持するために使用される。反応器４８０には、合成プロセスを助けるマグネタイトベースの市販触媒などのアンモニア合成触媒が充填される。市販されているいくつかの触媒が考えられる。より低い合成圧力および温度は、エネルギー節約のために望ましく、低い温度および圧力下で動作することができる触媒で達成することができる。例えば、酸化鉄触媒に促進剤を添加すると、さまざまな動作温度と圧力下で、触媒構造と性能が大きく改善される。また、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、セシウムとバリウムの異なる混合物で促進されたルテニウム触媒などの非鉄触媒は、低い温度および圧力のアンモニア合成に有効であることが示されている。これらは、ＫＡＡＰプロセスやＫＢＲプロセスなどの既知のアンモニアプロセスの商業化に貢献した。
アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスは、反応器出口４９０を介して反応器４８０を出て（この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる）、冷却コイル４９５に入る。冷却コイル４９５の形状およびサイズは様々であることができるが、好ましくはらせん状コイルである。冷却コイル４９５は、アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスの温度を５０～２００℃に低下させる。アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスは、その後、冷却コイル出口５００を介して冷却コイル４９５を出て、凝縮器５１０に入る。
凝縮器５１０は、空気チラー、水チラー、または冷媒ベースのチラーであってもよく、０．１～０．８ｍ２（好ましくは０．１～０．５ｍ２の範囲）の表面積を有し得る。凝縮器５１０は、冷媒がチラー５５０に入り、凝縮器構成要素出口５６０を介してチラー５５０から出ることができる凝縮器構成要素入口５４０を含む。冷媒は、空気、水、または他の冷媒（例えば、Ｒ１３４Ａ、Ｒ３３等）であり得る。チラー５５０は、蒸気圧縮冷却サイクルまたは蒸気吸収冷却サイクルを使用し得る。蒸気圧縮サイクルは電気入力で動作する。蒸気吸収サイクルは熱入力で動作する。凝縮器構成要素出口５６０における冷媒の圧力および温度は、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－２０～－５℃（より好ましくは－１０～－５℃）および５～１０バールである。凝縮器構成要素入口５４０の冷媒の圧力および温度も、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－５～１℃および１～５バールである。
凝縮器５１０は、製造されたアンモニアを未反応の水素ガスおよび窒素ガスから分離する。合成反応器４８０は約９０～１５５バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バールの高圧で運転されるので、製造されたアンモニアは凝縮器５１０を通して凝縮される。しかしながら、圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な圧力であってよい。アンモニアの凝縮温度は圧力と共に上昇するため、アンモニアは、変換率に応じたアンモニアの分圧を伴う凝縮器５１０内で液化される。液体アンモニアは混合物から分離し、分離器入口６００を介して分離器６２０に沈殿する。残りの未反応水素ガスおよび窒素ガスは再循環され、未反応ガス出口４２８を介して入口４２９に送り返される。未反応の水素ガスと窒素ガスは、予熱器４６０よりも高圧であるため、別のガス圧縮機を必要とせずにガスを再循環することができる。したがって、この新しい方法論によって、未反応ガスは再循環され、製造されたアンモニアは、追加の冷蔵システムを必要とせずに分離される。
分離器６２０は、０．００５～０．５ｍ３（より好ましくは０．００５～０．０５ｍ３の範囲）の容積を有するフラッシュドラムであり得る。次いで、アンモニアは、分離器出口６５０を介して分離器６２０を出て貯蔵ユニットに至る。分離器６２０の出口圧力は、必要な貯蔵圧力に応じて調節弁を介して変化させることができる。
発電・蓄電ユニット８００は、電力を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給する。例えば、発電はインバータとバッテリ一体型システムとを備え得る。ユニット８００は、風力、太陽光、潮力、地熱、水力などの再生可能エネルギー資源を含む、あらゆる電力源を使用することができる。電気入力を必要とするシステム構成要素には、電気入力８４０経由のＨＰＵ３２５、電気入力８１０経由のＮＰＵ２２５、電気入力８２０経由の空気圧縮・貯蔵ユニット２１０、電気入力８３０経由の予熱器４６０、および電気入力８５０経由の水処理・貯蔵ユニット３１０が含まれる。これらの構成要素は、機械に電力を供給するために使用できる１つの接続を形成するために電気的接続で接続され得る。したがって、モジュール式アンモニア製造装置は、電気供給部を有するどのような場所にも好都合に輸送することができ、アンモニアを製造するために接続することができる。
本発明の別の実施形態を図２に示すが、これはエネルギー集約的でないプロセスである。
図１と同様に、空気入口２００は、空気（好ましくは室温および大気圧）が空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に入ることを可能にする。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気中の空気を取り込み、加圧する。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、高圧、好ましくは１０～１００バール、より好ましくは７０～１００バールの範囲で空気を貯蔵することができる。その後、必要に応じて空気を低圧に調節することができる。例えば、空気は４～３０バール、好ましくは４～５バールで使用することができる。この圧力は、吸着プロセスと、それに続く脱着プロセスを行うために必要である。圧縮・貯蔵ユニット２１０は、往復圧縮機またはスクリュー圧縮機であり得る。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気空気を加圧し、入口２２０を介して窒素製造ユニット（ＮＰＵ）２２５に送る。入口２２０は、調節された圧力、好ましくは３～６バールでＮＰＵ２２５に空気を供給する。ＮＰＵ２２５は、空気から酸素と窒素を吸着ベースで分離する。吸着剤は、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、または他の適切な吸着剤であり得る。例えば、ＮＰＵ２２５は、カーボンモレキュラーシーブで満たされた密閉コンテナを含み得る。コンテナ内の加圧雰囲気とモレキュラーシーブの存在により、空気中の酸素分子が吸着される。酸素分子が吸着されると、残りの窒素分子はコンテナから出て別の密閉区画に入る。窒素はＮＰＵ出口２４０を通ってＮＰＵ２２５を出て、膨張タンク２４５に入る。ＮＰＵ出口２４０の窒素は、好ましくは２６～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。膨張タンク２４５内の窒素はわずかに、好ましくは２５～４０℃に冷却される。膨張タンク２４５はどのようなサイズでもよいが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。膨張タンク２４５は、窒素を乾燥させるためのふるい分子を含んでいてもよく、また、１０～５０バールの間の圧力を維持するためのアキュムレータとブラダー油圧システムとを備えていてもよい。必要に応じて、窒素は窒素膨張タンク出口２５０を通って膨張タンク２４５から出る。
水入口３００は、水（好ましくは室温および３～５バール）が水処理・貯蔵ユニット３１０に入ることを可能にする。水は純水であってもよい。また、水処理プロセスがシステムに統合されている場合、水はかん水、海水、塩水、廃水であってもよい。このように、水処理・貯蔵ユニット３１０は、水素を生成するために出力水を使用することができる逆浸透プロセス、かん水浄化、または廃水処理プロセスを含み得る。その後、水は、好ましくは３０～６０℃の温度および３～５バールの圧力で、水処理・貯蔵ユニット出口３２０を経由して水処理・貯蔵ユニット３１０を出て、搭載型水素を製造する水素製造ユニット（ＨＰＵ）３２５に入る。ＨＰＵ３２５では、水が電気化学的に酸素および水素ガスに解離される。水素製造ユニット３２５は、低温電解装置、高温電解装置、バットライザ、または液体／蒸気媒体から水素を製造する他のそのような方法によるものであり得、製造された水素は９９．９９５％の高純度を有する。
水素製造装置３２５は、本発明のシステムにおいて独自の方法で使用される低温ＡＥＭ型電解装置であり得、まず廃熱を利用して水を予熱する。水素製造ユニット３２５への入力水の温度を上昇させることで、水素製造率およびシステム全体の効率を向上させることができる。したがって、空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に冷却を提供し、水素製造ユニット３２５への入力として機能し、アンモニア合成中の水素製造を強化する新しい水循環設計を採用することができる。水素製造ユニット３２５は、２～５０バール（より好ましくは１０～５０バール）の圧力で水素ガスをシステム内に導入できる高圧ＡＥＭ型電解装置であることが好ましいが、正確な圧力は、選択される電解装置のタイプの定格出力によって決定される。水素製造ユニット３２５内の温度は、好ましくは２５～４６℃の範囲である。
水素は、ＨＰＵ出口３４０から水素製造ユニット３２５を出る。水素は、好ましくは２５～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。水素はその後、水素膨張タンク３５５に入る。水素膨張タンク３５５はどのようなサイズでもよいが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。水素膨張タンク３５５は、水素を乾燥させるために五酸化リンを含み、１０～５０バールの圧力を維持するためのアキュムレータおよびブラダー油圧システムを備えることもある。必要に応じて、水素は窒素膨張タンク出口３６０を通って水素膨張タンク３５５から出る。水素の圧力は、圧力レギュレータで調節することができる。
窒素膨張タンク出口２５０を経由して膨張タンク２４５から出る窒素と、窒素膨張タンク出口３６０を経由して水素膨張タンク３５５から出る水素は、ともに２５～４０℃、１０～５０バールで窒素および水素入力４０１に入る。膨張タンク２４５と水素膨張タンク３５５を使用して、水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルという化学量論的比率で、窒素および水素入力４０１へのガスの流入を制御することができる。この比率は最適に近いが、他の比率も可能である。比率が異なれば、得られる量も異なる。水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルのモル比の反応物混合物は、マスフローコントローラとソレノイドバルブの使用によって得ることができる。窒素マスフローコントローラは窒素の流量を制御し得、水素マスフローコントローラは水素の流量を制御し得る。
適切なモル比の水素と窒素の反応物混合物は、混合ガスブースタに入る。ガスブースタは、反応物混合物の圧力を約４～３０バール（好ましくは２５～３０バール）から約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バール（より好ましくは１３５～１５０バール）まで上昇させる。しかしながら、圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択される他の構成要素のタイプに基づいて、任意の適切な圧力とすることができる。ガスブースタは、水素と窒素の混合ガスを高圧で圧縮する混合ガス圧縮機に置き換えることもできる。同様に水素圧縮機は本発明のシステムから圧縮空気貯蔵タンクの必要性を排除する。
次に混合ガスは、混合ガスブースタ出口４０８からガスブースタを出るが、この際圧力と流量はそれぞれレギュレータバルブとマスフローコントローラで制御することができる。混合ガスは次に、予熱器入口４２９を介して、１０～１００ｋＷ（好ましくは１０～４０ｋＷの範囲）の電気ヒータを備えた予熱器４６０に入る。予熱器４６０は所望のサイズでよいが、好ましくは０．００８～０．８ｍ３（より好ましくは０．００８～０．１ｍ３）の容積を有し、管状である。予熱器４６０はステンレス鋼製であってもよい。予熱器４６０は、混合ガスの温度および圧力を、好ましくは２５０～４５０℃および８０～２８０バール（好ましくは１００～２８０バールの範囲）まで上昇させる。予熱器４６０を出るガスの好ましい動作温度は、３００℃プラスマイナス１０℃である。しかしながら、温度および圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な温度および圧力であってよい。次いで、加熱された混合ガスは予熱器出口４７０を介して予熱器４６０を出て、この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができ、混合ガスはアンモニア反応器４８０に入る。
アンモニア反応器４８０は、任意の所望のサイズであってよいが、好ましくは、０．００８～０．８ｍ３（好ましくは、０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。反応器４８０は、好ましくは３１６ステンレス鋼材料または他の適切な材料から作られ、サイズは所望の処理速度によって決定される。日産１００ｋｇを処理するためには、反応器は約１～２ｍの長さおよび約１０～２０ｃｍの直径を有することができる。日産３００ｋｇを処理するためには、最適な配置で、好ましくは直列または並列に接続された５つの反応器が約１～２ｍの長さおよび約１０～２０ｃｍの直径を有し得る。反応器には触媒が含まれる。触媒床は軸方向に放射状に配置された円筒形のバスケットで、上部のスクリーンが開いており、カプセルに挿入することができる。カプセルは、触媒バスケットを圧力容器の壁から分離する（壁に沿った冷却と均等な熱伝達のため）。ラジアルフローは、オープントップ構成の反応器で好ましい。カプセルは、触媒の装填と取り出しの操作を簡素化する。触媒は酸素に非常に敏感であるため、システムへの装填には慎重な配慮が必要である。したがって、前述の設計記述を用いれば、触媒は適切な条件下（例えば窒素雰囲気、ダストを除去するためのふるい分け、床全体の均一性を確保するための高密度ローダーによる装填）でシステム外で装填し、反応器に移送・挿入することができる。経年劣化と不活性化のため、メンテナンスは約２５年後に行われる。
さらに、反応器４８０内の温度及び圧力は、温度センサ及び圧力センサを通して記録することができる。反応器４８０は、電気と加熱コイルを利用して熱エネルギーを生成する電気炉で覆われていてもよく、この熱エネルギーは、必要な反応条件に応じて反応器に伝達される。この熱エネルギーは、始動時および触媒活性化時に使用することができる。アンモニア合成プロセスは本質的に発熱性であり、アンモニアが生成されると、発生した熱は反応器４８０を高い反応温度に維持するために使用される。反応器４８０には、合成プロセスを助けるマグネタイトベースの市販の触媒などのアンモニア合成触媒が充填される。市販されているいくつかの触媒が考えられる。より低い合成圧力および温度は、エネルギー節約のために望ましく、低い温度および圧力下で動作できる触媒で達成することができる。例えば、酸化鉄触媒に添加される促進剤は、様々な動作温度および圧力の範囲下で触媒構造と性能の大きな改善を示す。また、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、セシウムとバリウムの異なる混合物で促進されたルテニウム触媒などの非鉄触媒は、低い温度および圧力のアンモニア合成に有効であることが示されている。これらは、ＫＡＡＰプロセスおよびＫＢＲプロセスなどの既知のアンモニアプロセスの商業化に貢献した。
アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスは、反応器出口４９０を介して反応器４８０を出て（この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる）、冷却コイル４９５に入る。冷却コイル４９５の形状およびサイズは様々であるが、好ましくはらせん状コイルである。冷却コイル４９５は、アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスの温度を５０～２００℃に低下させる。次いで、アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスは、冷却コイル出口５００を介して冷却コイル４９５を出て、アンモニア圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ユニット５５１に入る。
ＰＳＡユニット５５１は、圧力下でアンモニアを吸着するために、ＭｇＣｌ２などの吸着剤を利用することができる。したがって、プロセスのエネルギーは、図１のプロセスと比較して低減される。なぜなら、高いエネルギー消費を必要とする凝縮器とチラーが不要になるからである。吸着剤は、アンモニアＰＳＡ入口５５２を介してＰＳＡユニット５５１に入る。その後、アンモニアはアンモニアＰＳＡ出口５５３を介して回収され、貯蔵される。このように、ＰＳＡユニット５５１は、製造されたアンモニアを未反応の水素ガスおよび窒素ガスから分離する。残りの未反応水素および窒素ガスは再循環され、未反応ガス出口５５４を介して予熱器入口４２９に戻される。未反応の水素ガスと窒素ガスは予熱器４６０よりも高圧であるため、別のガス圧縮機を必要とせずにガスを再循環することができる。したがって、この新しい方法論によって、未反応ガスは再循環され、製造されたアンモニアは、追加の冷蔵システムを必要とせずに分離される。
発電・蓄電ユニット８００は、電力を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給する。発電・蓄電ユニット８００は、風力、太陽光、潮力、地熱、水力などの再生可能エネルギー資源を含む、あらゆる電力源を使用することができる。電気入力を必要とするシステム構成要素には、電気入力８４０を介したＨＰＵ３２５、電気入力８１０を介したＮＰＵ２２５、電気入力８２０を介した空気圧縮・貯蔵ユニット２１０、電気入力８３０を介した予熱器４６０、および電気入力８５０を介した水処理・貯蔵ユニット３１０が含まれる。これらの構成要素は、機械に電力を供給するために使用できる１つの接続を形成するために電気的接続で接続されることができる。したがって、モジュール式アンモニア製造装置は、電気供給部を有する任意の場所に好都合に輸送することができ、アンモニアを製造するために接続することができる。
本発明の別の実施形態が図３に示されており、これは、クエンチを備えたカスケード反応器構成を提供する。図３のカスケードシステム構成は、窒素変換率を増加させることにより、アンモニア合成率の増加を提供する。図３に描かれているように、ガスブースタ出口は反応器４４０に接続され、そこで入力反応物ガスは高い圧力と温度に達し、アンモニアを製造する。反応器４４０の出口は反応器４８０に送られ、そこで水素ガスと窒素ガスのアンモニアへの変換がさらに行われる。
図１と同様に、空気入口２００は、空気（好ましくは室温および大気圧）が空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に入ることを可能にする。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気中の空気を取り込み、加圧する。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、高圧、好ましくは１０～１００バール、より好ましくは７０～１００バールの範囲で空気を貯蔵することができる。その後、必要に応じて空気を低圧に調節することができる。例えば、空気は４～３０バール、好ましくは４～５バールで使用することができる。この圧力は、吸着プロセスと、それに続く脱着プロセスを行うために必要である。圧縮・貯蔵ユニット２１０は、往復圧縮機またはスクリュー圧縮機であり得る。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気空気を加圧し、入口２２０を介して窒素製造ユニット（ＮＰＵ）２２５に送る。入口２２０は、調節された圧力、好ましくは３～６バールでＮＰＵ２２５に空気を供給する。ＮＰＵ２２５は、空気から酸素と窒素を吸着ベースで分離する。吸着剤は、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、または他の適切な吸着剤であり得る。例えば、ＮＰＵ２２５は、炭素モレキュラーシーブで満たされた密閉コンテナを含むことができる。コンテナ内の加圧雰囲気とモレキュラーシーブの存在により、空気中の酸素分子が吸着される。酸素分子が吸着されると、残りの窒素分子はコンテナから出て別の密閉区画に入る。窒素はＮＰＵ出口２４０を通ってＮＰＵ２２５を出て、膨張タンク２４５に入る。ＮＰＵ出口２４０の窒素は、好ましくは２６～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度であるが、好ましくは９９．９９９％の純度、露点５ｐｐｍ以下である。膨張タンク２４５内の窒素はわずかに、好ましくは２５～４０℃に冷却される。膨張タンク２４５のサイズは任意であるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。膨張タンク２４５は、窒素を乾燥させるためのふるい分子を含んでいてもよく、１０～５０バールの間の圧力を維持するためのアキュムレータおよびブラダー油圧システムを備えていてもよい。必要に応じて、窒素は窒素膨張タンク出口２５０を通って膨張タンク２４５から出る。
水入口３００は、水（好ましくは室温および３～５バール）が水処理・貯蔵ユニット３１０に入ることを可能にする。水は純水であり得る。水はまた、水処理プロセスがシステムに統合されている場合、かん水、海水、塩水、または廃水であってもよい。このように、水処理・貯蔵ユニット３１０は、逆浸透プロセス、かん水浄化、または廃水処理プロセスを含み得る。その後、水は、好ましくは３０～６０℃の温度および３～５バールの圧力で、水処理・貯蔵ユニット出口３２０を経由して水処理・貯蔵ユニット３１０を出て、搭載型水素を製造する水素製造ユニット（ＨＰＵ）３２５に入る。水素製造ユニット３２５は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、アルカリ、光電気化学、ＣｕＣｌ、またはＭｇＣｌ２ベースの水素製造プロセスであり、９９．９９５％の水素純度を達成することができる。
水素製造ユニット３２５は、廃熱を利用して水を最初に予熱する、本発明のシステムにおける独自の方法で利用することができる。水素製造ユニット３２５への入力水の温度を上昇させることで、水素製造率およびシステム全体の効率を向上させることができる。したがって、空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に冷却を提供し、水素製造ユニット３２５への入力として機能し、アンモニア合成中の水素製造を強化する、新しい水循環設計を採用することができる。水素製造ユニット３２５は、２～５０バール（より好ましくは１０～５０バールの範囲）の圧力で水素ガスをシステム内に導入できる高圧ＰＥＭ型電解装置であることが好ましいが、正確な圧力は、選択される電解装置のタイプの定格出力によって決定される。水素製造ユニット３２５内の温度は、好ましくは２５～４６℃である。
水素は、ＨＰＵ出口３４０から水素製造ユニット３２５を出る。水素は、好ましくは２５～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度であるが、好ましくは９９．９９９％の純度で、露点５ｐｐｍ以下である。水素は次に水素膨張タンク３５５に入る。水素膨張タンク３５５はどのようなサイズでもよいが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。水素膨張タンク３５５は、水素を乾燥させるために五酸化リンを含むこともあり、１０～５０バールの圧力を維持するためのアキュムレータおよびブラダー油圧システムを備えることもある。必要に応じて、水素は窒素膨張タンク出口３６０を通って水素膨張タンク３５５から出る。水素の圧力は、圧力レギュレータで調節することができる。
窒素膨張タンク出口２５０を経由して膨張タンク２４５から出る窒素と、窒素膨張タンク出口３６０を経由して水素膨張タンク３５５から出る水素は、ともに２０～３０℃、１０～５０バールで窒素および水素入力４０１に入る。膨張タンク２４５と水素膨張タンク３５５を使用して、水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルという化学量論的比率で、窒素および水素入力４０１へのガスの流入を制御することができる。この比率は最適に近いが、他の比率も可能である。比率が異なれば、得られる量も異なる。水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルのモル比の反応物混合物は、マスフローコントローラとソレノイドバルブの使用によって得ることができる。窒素マスフローコントローラは窒素の流量を制御し得、水素マスフローコントローラは水素の流量を制御し得る。
適切なモル比の水素と窒素の反応物混合物は、混合ガスブースタに入る。ガスブースタは、反応物混合物の圧力を約４～３０バール（好ましくは２５～３０バール）から約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バール（より好ましくは１３５～１５０バール）まで上昇させる。しかしながら、圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択される他の構成要素のタイプに基づいて、任意の適切な圧力とすることができる。ガスブースタは、混合された水素と窒素を高圧で圧縮する混合ガス圧縮機に置き換えることもできる。混合ガス圧縮機は、本発明のシステムから圧縮空気貯蔵タンクの必要性も排除する。
次に混合ガスは、混合ガスブースタ出口４０４からガスブースタを出るが、この際圧力と流量はそれぞれレギュレータバルブとマスフローコントローラによって制御することができる。混合ガスは次に三方弁に入り、三方弁は入口４０７を介して反応器４４０に接続され、入口４０６を介して反応器４８０に接続される。入口４０７の混合ガスは、次に反応器入口４２３を介して反応器４４０に入る。入口４０６の混合ガスは、反応器入口４４２を介して反応器４８０に入る。
反応器４４０および４８０は、任意の所望のサイズであってよいが、好ましくは０．００８～０．８ｍ３（好ましくは０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。反応器４４０および４８０は、好ましくは３１６ステンレス鋼材料または他の適切な材料から作られ、サイズは所望の処理速度によって決定される。日産１００ｋｇを処理するためには、反応器は約１～２メートルの長さ、および約１０～２０センチメートルの直径を有し得る。反応器は触媒を含む。触媒床は軸方向に放射状に配置された円筒形のバスケットで、上部のスクリーンが開いており、カプセルに挿入することができる。カプセルは、触媒バスケットを圧力容器の壁から分離する（壁に沿った冷却と均等な熱伝達のため）。ラジアルフローは、オープントップ構成の反応器で好ましい。カプセルは、触媒の装填と取り出しの操作を簡素化する。触媒は酸素に非常に敏感であるため、システムへの装填には慎重な配慮が必要である。したがって、前述の設計記述を用いれば、触媒を適切な条件（例えば窒素雰囲気、ダストを除去するためのふるい分け、床全体の均一性を確保するための高密度ローダーによる装填）でシステム外で装填し、反応器に移送・挿入することができる。経年劣化や不活性化により、メンテナンスは約２５年後に行われる。
さらに、反応器４４０と４８０の内部の温度と圧力は、温度センサと圧力センサを通して記録することができる。反応器４４０と４８０は、電気と加熱コイルを利用して熱エネルギーを生成する電気炉で覆われていてもよく、熱エネルギーは必要な反応条件に応じて反応器に伝達される。この熱エネルギーは、始動時および触媒活性化時に使用することができる。アンモニア合成プロセスは本質的に発熱性であり、アンモニアが製造されると、発生した熱は反応器４４０と４８０を高い反応温度に維持するために使用される。反応器４４０と４８０には、合成プロセスを助けるマグネタイトベースの市販触媒などのアンモニア合成触媒が充填される。市販されているいくつかの触媒が考えられる。より低い合成圧力と温度はエネルギー節約に望ましく、低い温度および圧力下で動作できる触媒で達成することができる。例えば、酸化鉄触媒に促進剤を添加すると、さまざまな動作温度と圧力の範囲下で、触媒構造と性能が大幅に改善される。また、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、およびセシウムとバリウムの異なる混合物で促進されたルテニウム触媒などの非鉄触媒は、低い温度および圧力のアンモニア合成に効果的であることが示されている。これらは、ＫＡＡＰプロセスやＫＢＲプロセスなどの既知のアンモニアプロセスの商業化に貢献した。
アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスは、反応器出口４４１を介して反応器４４０を出た後、反応器入口４４２を介して反応器４８０に入る前に、新鮮な供給ストリーム４０６と混合され、クエンチされる。クエンチプロセスは、熱交換器を必要とすることなく、反応物温度を１０～４０℃（好ましくは１０～２０℃の範囲）下げる可能性がある。
アンモニア及び未反応の水素及び窒素ガスは、反応器出口４８５を介して反応器４８０を出て（この際、圧力及び流量はそれぞれレギュレータバルブ及びマスフローコントローラを介して制御することができる）、冷却コイル４９５に入る。冷却コイル４９５の形状およびサイズは様々であり得るが、好ましくはらせん状コイルである。冷却コイル４９５は、アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスの温度を５０～２００℃に低下させる。アンモニアおよび未反応の水素および窒素ガスは、その後、冷却コイル出口５００を介して冷却コイル４９５を出て、凝縮器５１０に入る。
凝縮器５１０は、空気チラー、水チラー、または冷媒ベースのチラーであってもよく、０．１～０．８ｍ２（好ましくは０．１～０．５ｍ２の範囲）の表面積を有してもよい。凝縮器５１０は、冷媒がチラー５５０に入り、その後凝縮器構成要素出口５６０を介してチラー５５０から出ることができる凝縮器構成要素入口５４０を含む。冷媒は、空気、水、または他の冷媒（例えば、Ｒ１３４Ａ、Ｒ３３等）であり得る。チラー５５０は、蒸気圧縮冷却サイクルまたは蒸気吸収冷却サイクルを使用し得る。蒸気圧縮サイクルは電気入力で動作する。蒸気吸収サイクルは熱入力で動作する。凝縮器構成要素出口５６０における冷媒の圧力および温度は、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－２０～－５℃（より好ましくは－１０～－５℃の範囲）および５～１０バールである。凝縮器構成要素入口５４０の冷媒の圧力および温度も、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－５～１℃および１～５バールである。
凝縮器５１０は、製造されたアンモニアを未反応の水素ガスおよび窒素ガスから分離する。合成反応器４８０は約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バールの高圧で運転されるので、製造されたアンモニアは凝縮器５１０を通って凝縮される。しかしながら、圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な圧力であってよい。アンモニアの凝縮温度は圧力と共に上昇するため、アンモニアは、変換率に応じたアンモニアの分圧を伴う凝縮器５１０内で液化される。液体アンモニアは混合物から分離し、分離器入口６００を介して分離器６２０に沈殿する。残りの未反応水素および窒素ガスは再循環され、未反応ガス出口４２２を介して反応器４４０に送り返される。未反応の水素ガスと窒素ガスは反応器４４０よりも高圧であるため、別のガス圧縮機を必要とせずにガスを再循環することができる。したがって、この新しい方法論によって、未反応ガスは再循環され、製造されたアンモニアは、追加の冷蔵システムを必要とせずに分離される。
分離器６２０は、０．００５～０．５ｍ３（好ましくは０．００５～０．０５ｍ３の範囲）の容積を有するフラッシュドラムであってもよい。その後、アンモニアは、分離器出口６５０を介して分離器６２０を出て貯蔵ユニットに至る。分離器６２０の出口圧力は、必要な貯蔵圧力に応じて調節弁を介して変化させることができる。すべての装置にわたる圧力降下を考慮するために、再循環ポンプ／ブースタ６３５を使用して、未反応ガスおよび残留アンモニアの圧力を、好ましくは８０～２８０バールの間の理想的な反応圧力まで昇圧することができる。
発電・蓄電ユニット８００は、電力を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給する。このユニット８００は、風力、太陽光、潮力、地熱、および水力などの再生可能エネルギー資源を含む、あらゆる電力源を使用することができる。電気入力を必要とするシステム構成要素には、電気入力８４０経由のＨＰＵ３２５、電気入力８１０経由のＮＰＵ２２５、電気入力８２０経由の空気圧縮・貯蔵ユニット２１０、電気入力８５０経由の水処理・貯蔵ユニット３１０、電気入力４６０経由の反応器４８０、および電気入力８７０経由の反応器４４０が含まれる。これらの構成要素は、システムに電力を供給するために使用できる１つの接続を形成するために電気的接続で接続されることができる。したがって、モジュール式無水アンモニア製造装置は、電気供給部を有する任意の場所に好都合に輸送することができ、無水アンモニアを製造するために接続することができる。
本発明の別の実施形態が図４に示されており、これは並列反応器構成を提供する。この構成は、ブースタ出口が両方の反応器の入口に接続される並列反応器運転を伴う。この運転構成は、反応ガスを２つの並列反応器に分配することを可能にし、したがって、各反応器を通る体積流量を減少させ、各反応器内の滞留時間を増加させる。滞留時間が増加するにつれ、各反応器におけるアンモニア合成速度も上昇する。
図３と同様に、空気入口２００は、空気（好ましくは室温および大気圧）が空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に入ることを可能にする。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気中の空気を取り込み、それを加圧する。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、高圧、好ましくは１０～１００バール、より好ましくは７０～１００バールの範囲で空気を貯蔵することができる。その後、必要に応じて空気をより低圧に調節することができる。例えば、空気は４～３０バール、好ましくは４～５バールで使用することができる。この圧力は、吸着プロセスと、それに続く脱着プロセスを行うために必要である。圧縮・貯蔵ユニット２１０は、往復圧縮機またはスクリュー圧縮機であり得る。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気空気を加圧し、入口２２０を介して窒素製造ユニット（ＮＰＵ）２２５に送る。入口２２０は、調節された圧力、好ましくは３～６バールでＮＰＵ２２５に空気を供給する。ＮＰＵ２２５は、空気から酸素と窒素を吸着ベースで分離する。吸着剤は、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、または他の適切な吸着剤であり得る。例えば、ＮＰＵ２２５は、炭素モレキュラーシーブで満たされた密閉コンテナを含み得る。コンテナ内の加圧雰囲気とモレキュラーシーブの存在により、空気中の酸素分子が吸着される。酸素分子が吸着されると、残りの窒素分子はコンテナから出て別の密閉区画に入る。窒素はＮＰＵ出口２４０を通ってＮＰＵ２２５を出て、膨張タンク２４５に入る。ＮＰＵ出口２４０の窒素は、好ましくは２６～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度であるが、好ましくは９９．９９９％の純度、露点５ｐｐｍ以下である。膨張タンク２４５内の窒素はわずかに、好ましくは２５～４０℃に冷却される。膨張タンク２４５は任意のサイズであることができるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。膨張タンク２４５は、窒素を乾燥させるためのふるい分子を含んでいてもよく、また、１０～５０バールの間の圧力を維持するためのアキュムレータおよびブラダー油圧システムを備えていてもよい。必要に応じて、窒素は窒素膨張タンク出口２５０を通って膨張タンク２４５から出る。
水入口３００は、水（好ましくは室温および３～５バール）が水処理・貯蔵ユニット３１０に入ることを可能にする。水は純水であってもよい。また、水処理プロセスがシステムに統合されている場合、水はかん水、海水、塩水、または廃水であってもよい。このように、水処理・貯蔵ユニット３１０は、逆浸透プロセス、かん水の浄化、または廃水処理プロセスを含む場合がある。その後、水は、好ましくは３０～６０℃の温度および３～５バールの圧力で、水処理・貯蔵ユニット出口３２０を経由して水処理・貯蔵ユニット３１０を出て、搭載型水素を製造する水素製造ユニット（ＨＰＵ）３２５に入る。水素製造ユニット３２５は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、アルカリ、光電気化学、ＣｕＣｌ、またはＭｇＣｌ２ベースの水素製造プロセスであり、好ましくは９９．９９９％の水素純度を達成することができる。
水素製造装置３２５は、廃熱を利用して水を最初に予熱する、本発明のシステムにおける独自の方法で利用することができる。水素製造ユニット３２５への入力水の温度を上げることで、水素製造率およびシステム全体の効率を向上させることができる。したがって、空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に冷却を提供し、水素製造ユニット３２５への入力として機能し、アンモニア合成中の水素製造を強化する新しい水循環設計を採用することができる。水素製造ユニット３２５は、５～５０バール（好ましくは１０～５０バール）の圧力で水素ガスをシステム内に導入できる高圧ＰＥＭ型電解装置であることが好ましいが、正確な圧力は、選択される電解装置のタイプの定格出力によって決定される。水素製造ユニット３２５の温度は、好ましくは２５～４６℃である。
水素は、ＨＰＵ出口３４０から水素製造ユニット３２５を出る。水素は、好ましくは２５～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。水素はその後、水素膨張タンク３５５に入る。水素膨張タンク３５５は任意のサイズであることができるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。水素膨張タンク３５５は、水素を乾燥させるために五酸化リンを含むこともできる。必要に応じて、水素は窒素膨張タンク出口３６０を通って水素膨張タンク３５５から出る。水素の圧力は、圧力レギュレータで調整することができる。
窒素膨張タンク出口２５０から膨張タンク２４５を出た窒素と、窒素膨張タンク出口３６０から水素膨張タンク３５５を出た水素は、ともに２０～３０℃、１０～５０バールで混合ガスブースタ入口４０１に入る。膨張タンク２４５と水素膨張タンク３５５は、水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルの化学量論比で混合ガスブースタ入口４０１へのガスの流入を制御するために使用することができる。この比率は最適に近いが、他の比率も可能である。比率が異なれば、得られる量も異なる。水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルのモル比の反応物混合物は、マスフローコントローラとソレノイドバルブの使用によって得ることができる。窒素マスフローコントローラは窒素の流量を制御し得、水素マスフローコントローラは水素の流量を制御し得る。
適切なモル比の水素と窒素の反応物混合物は、混合ガスブースタに入る。ガスブースタは、反応物混合物の圧力を約４～３０バール（好ましくは２５～３０バール）から約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バール（より好ましくは１３５～１５０バール）まで上昇させる。しかしながら、圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択される他の構成要素のタイプに基づいて、任意の適切な圧力とすることができる。ガスブースタは、水素と窒素の混合物を高圧で圧縮する混合ガス圧縮機に置き換えることもできる。同様に水素圧縮機は、本発明のシステムから圧縮空気貯蔵タンクの必要性を排除する。
混合ガスは、混合ガスブースタ出口４０５からガスブースタを出るが、この際圧力と流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラで制御することができる。混合ガスは次に入口４２５から三方弁に入る。混合ガスはその後、反応器入口４３５を介して反応器４４０に入るか、または反応器入口４３０を介して反応器４８０に入ることができる。
反応器４４０および４８０は、任意の所望のサイズであってよいが、好ましくは０．００８～０．８ｍ３（より好ましくは０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。反応器４４０および４８０は、好ましくは３１６ステンレス鋼材料または他の適切な材料から作られ、サイズは所望の処理速度によって決定される。日産１００ｋｇを処理するためには、反応器の長さは約１～２メートル、直径は約１０～２０センチメートルであり得る。反応器は触媒を含む。触媒床は軸方向に放射状に配置された円筒形のバスケットで、上部のスクリーンが開いており、カプセルに挿入することができる。カプセルは、触媒バスケットを圧力容器の壁から分離する（壁に沿った冷却と均等な熱伝達のため）。ラジアルフローは、オープントップ構成の反応器で好ましい。カプセルは、触媒の装填と取り出しの操作を簡素化する。触媒は酸素に非常に敏感であるため、システムへの装填には慎重な配慮が必要である。したがって、前述の設計記述を用いれば、触媒を適切な条件（例えば窒素雰囲気、ダストを除去するためのふるい分け、床全体の均一性を確保するための高密度ローダによる装填）でシステム外で装填し、反応器に移送・挿入することができる。経年劣化や不活性化により、メンテナンスは約２５年後に行われる。
さらに、反応器４４０と４８０の内部の温度と圧力は、温度センサと圧力センサを通して記録することができる。反応器４４０と４８０は、電気と加熱コイルを利用して熱エネルギーを生成し、必要な反応条件に応じて反応器に伝達する電気炉で覆われていてもよい。この熱エネルギーは、始動時および触媒活性化時に使用することができる。アンモニア合成プロセスは本質的に発熱性であり、アンモニアが生成されると、発生した熱は反応器４４０と４８０を高い反応温度に維持するために使用される。反応器４４０と４８０には、合成プロセスを助けるマグネタイトベースの市販触媒などのアンモニア合成触媒が充填される。市販されているいくつかの触媒が考えられる。より低い合成圧力および温度は、エネルギー節約のために望ましく、低い温度および圧力下で動作できる触媒を用いて達成することができる。例えば、酸化鉄触媒に添加される促進剤は、様々な動作温度と圧力の範囲下で触媒構造と性能の大きな改善を示す。また、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、およびセシウムとバリウムの異なる混合物で促進されたルテニウム触媒などの非鉄触媒は、低い温度および圧力のアンモニア合成に有効であることが示されている。これらは、ＫＡＡＰプロセスやＫＢＲプロセスなどの既知のアンモニアプロセスの商業化に貢献した。
アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、反応器出口４４５を介して反応器４４０を出て、反応器出口４６５を介して反応器４８０を出る。反応器出口４４５と４６５のアンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、三方弁と出口４６６で結合する。アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、次に冷却コイル４９５に入る。冷却コイル４９５の形状およびサイズは様々であり得るが、好ましくはらせん状コイルである。冷却コイル４９５は、アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスの温度を５０～２００℃に低下させる。アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、その後、冷却コイル出口５００を介して冷却コイル４９５から出て、凝縮器５１０に入る。
凝縮器５１０は、空気チラー、水チラー、または冷媒ベースのチラーであり得、０．１～０．８ｍ２（より好ましくは０．１～０．５ｍ２の範囲）の表面積を有し得る。凝縮器５１０は、冷媒がチラー５５０に入り、凝縮器構成要素出口５６０を介してチラー５５０から出ることができる凝縮器構成要素入口５４０を含む。冷媒は、空気、水、または他の冷媒（例えば、Ｒ１３４Ａ、Ｒ３３等）であり得る。チラー５５０は、蒸気圧縮冷却サイクルまたは蒸気吸収冷却サイクルを使用し得る。蒸気圧縮サイクルは電気入力で動作する。蒸気吸収サイクルは熱入力で動作する。凝縮器構成要素出口５６０における冷媒の圧力および温度は、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－２０～－５℃（より好ましくは－１０～－５℃の範囲）および５～１０バールである。凝縮器構成要素入口５４０の冷媒の圧力および温度も、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－５～１℃および１～５バールである。
凝縮器５１０は、製造されたアンモニアを未反応の水素ガスおよび窒素ガスから分離する。合成反応器４８０は約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バールの高圧で運転されるので、製造されたアンモニアは凝縮器５１０を通して凝縮される。しかしながら、圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な圧力であってよい。アンモニアの凝縮温度は圧力と共に上昇するため、アンモニアは、変換率に応じたアンモニアの分圧を伴う凝縮器５１０内で液化される。液体アンモニアは混合物から分離し、分離器入口６００を介して分離器６２０に沈殿する。残りの未反応水素ガスと窒素ガスは再循環され、未反応ガス出口４２１を介して入口４２５に送り返される。未反応の水素ガスと窒素ガスは反応器４４０と４８０よりも高圧であるため、別のガス圧縮機を必要とせずにガスを再循環することができる。したがって、この新しい方法論によって、未反応ガスは再循環され、製造されたアンモニアは、追加の冷蔵システムを必要とせずに分離される。
分離器６２０は、０．００５～０．５ｍ３（より好ましくは０．００５～０．０５ｍ３の範囲）の容積を有するフラッシュドラムであり得る。次いで、アンモニアは、分離器出口６５０を経由して分離器６２０を出て貯蔵ユニットに至る。分離器６２０の出口圧力は、必要な貯蔵圧力に応じて調節弁を介して変化させることができる。すべての装置にわたる圧力降下を考慮するために、再循環ポンプ／圧縮機６３５を使用して、未反応ガスおよび残留アンモニアの圧力を、好ましくは８０～２８０バールの間の理想的な反応圧力まで昇圧することができる。
発電・蓄電ユニット８００は、電力を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給する。このユニット８００は、風力、太陽光、潮力、地熱、および水力などの再生可能エネルギー資源を含む、あらゆる電力源を使用することができる。電気入力を必要とするシステム構成要素には、電気入力８４０経由のＨＰＵ３２５、電気入力８１０経由のＮＰＵ２２５、電気入力８２０経由の空気圧縮・貯蔵ユニット２１０、電気入力８５０経由の水処理・貯蔵ユニット３１０、電気入力４６０経由の反応器４８０、および電気入力８７０経由の反応器４４０が含まれる。これらの構成要素は、機械に電力を供給するために使用できる１つの接続を形成するために電気的接続で接続されることができる。したがって、モジュール式アンモニア製造装置は、電気供給部を有する任意の場所に好都合に輸送することができ、アンモニアを製造するために接続することができる。
本発明の別の実施形態を図５に示す。
空気入口２００は、空気（好ましくは室温および大気圧）が空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に入ることを可能にする。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気中の空気を取り込んで加圧する。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、高圧、好ましくは１０～１００バール、より好ましくは７０～１００バールの範囲で空気を貯蔵することができる。その後、必要に応じて空気をより低圧に調節することができる。例えば、空気は４～３０バール、好ましくは４～５バールで使用することができる。この圧力は、吸着プロセスと、それに続く脱着プロセスを行うために必要である。圧縮・貯蔵ユニット２１０は、往復圧縮機またはスクリュー圧縮機であり得る。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気空気を加圧し、入口２２０を介して窒素製造ユニット（ＮＰＵ）２２５に送る。入口２２０は、調節された圧力、好ましくは３～６バールでＮＰＵ２２５に空気を供給する。ＮＰＵ２２５は、空気から酸素と窒素を吸着ベースで分離する。吸着剤は、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、または他の適切な吸着剤であり得る。例えば、ＮＰＵ２２５は、炭素モレキュラーシーブで満たされた密閉コンテナを含み得る。コンテナ内の加圧雰囲気とモレキュラーシーブの存在により、空気中の酸素分子が吸着される。酸素分子が吸着されると、残りの窒素分子はコンテナから出て別の密閉区画に入る。窒素はＮＰＵ出口２４０を通ってＮＰＵ２２５を出て、窒素圧縮ユニット２４３に入る。窒素圧縮ユニット２４３は、圧縮された窒素を取り込み、さらに窒素を約８０～２８０バールの高圧に加圧する。窒素圧縮ユニット２４３は、往復圧縮機、スクリュー圧縮機、または空気駆動式窒素ガスブースタであり得る。ＮＰＵ出口２４０の窒素は、好ましくは、２６～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。窒素圧縮ユニット２４３内の加圧された窒素は、その後、２５～４０℃の好ましい温度範囲で膨張タンク２４５に貯蔵される。膨張タンク２４５は任意のサイズとすることができるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。膨張タンク２４５は、窒素を乾燥させるためのふるい分子を含んでいてもよく、また、８０～２８０バールの間の圧力を維持するためのアキュムレータとブラダー油圧システムを備えていてもよい。必要に応じて、窒素は窒素膨張タンク出口２５０から膨張タンク２４５を出る。
水入口３００は、水（好ましくは室温および３～５バールの圧力範囲）が水処理・貯蔵ユニット３１０に入ることを可能にする。水は純水であってもよい。また、水処理プロセスがシステムに統合されている場合、水はかん水、海水、塩水、または廃水であってもよい。このように、水処理・貯蔵ユニット３１０は、逆浸透プロセス、かん水の浄化、または廃水処理プロセスを含む場合がある。その後、水は、好ましくは３０～６０℃の温度および３～５バールの圧力で、水処理・貯蔵ユニット出口３２０を経由して水処理・貯蔵ユニット３１０を出て、搭載型水素を製造する水素製造ユニット（ＨＰＵ）３２５に入る。水素製造ユニット３２５は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、アルカリ、光電気化学、ＣｕＣｌ、またはＭｇＣｌ２ベースの水素製造プロセスであり得、９９．９９５％の水素純度を達成することができる。
水素製造ユニット３２５は、廃熱を利用して水を最初に予熱する、本発明のシステムにおける独自の方法で利用することができる。水素製造ユニット３２５への入力水の温度を上昇させることで、水素製造率およびシステム全体の効率を向上させることができる。したがって、空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に冷却を提供し、水素製造ユニット３２５への入力として機能し、アンモニア合成中の水素製造を強化する新しい水循環設計を採用することができる。水素製造ユニット３２５は、好ましくは、２～５０バール（好ましくは５～５０バール、より好ましくは１０～５０バールの範囲）の圧力で水素ガスをシステム内に導入できる高圧ＰＥＭ型電解装置であるが、正確な圧力は、選択される電解装置のタイプの定格出力によって決定される。水素製造ユニット３２５内の温度は、好ましくは２５～４６℃である。
水素は、ＨＰＵ出口３４０から水素製造ユニット３２５を出る。水素は、好ましくは２５～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。その後、水素は水素圧縮ユニット３４１に入る。水素圧縮ユニット３４１は、圧縮された水素を取り込み、さらに水素を約８０～２８０バールの高圧まで加圧する。水素圧縮ユニット３４１は、往復圧縮機、スクリュー圧縮機、または空気駆動式水素ガスブースタであり得る。水素圧縮出口３４５から水素圧縮ユニット３４１を出た水素は、水素膨張タンク３５５に貯蔵される。水素膨張タンク３５５は任意のサイズとすることができるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。水素膨張タンク３５５は、水素を乾燥させるために五酸化リンを含んでいてもよく、また、圧力を８０～２８０バールに維持するためにアキュムレータとブラダー油圧システムを備えていてもよい。必要に応じて、水素は水素膨張タンク出口３６０を通って水素膨張タンク３５５から出る。水素の圧力は、圧力レギュレータで調節することができる。
窒素膨張タンク出口２５０を経由して膨張タンク２４５から出る窒素と、水素膨張タンク出口３６０を経由して水素膨張タンク３５５から出る水素は、スタティックミキサ３６１内で、好ましくはおおよそ２５～４０℃の温度と８０～２８０バールの圧力でブレンドされる。窒素膨張タンク２４５と水素膨張タンク３５５は、水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルという化学量論的比率で、窒素および水素入力４０８へのガスの流入を制御するために使用することができる。この比率は最適に近いが、他の比率も可能である。比率が異なれば、得られる量も異なる。水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルのモル比の反応物混合物は、マスフローコントローラとソレノイドバルブの使用によって得ることができる。窒素マスフローコントローラは窒素の流量を制御し得、水素マスフローコントローラは水素の流量を制御し得る。
水素と窒素の反応物混合物は、スタティックミキサ６４５で、混合ガスブースタ６３５の出口６４０の未反応ガスと適切なモル比でブレンドされ、熱交換器８９３に入る。熱交換器８９３は、約５～８０℃の上流９００温度および約８０～２８０バールの圧力を有し得、約２００～５００℃の下流４７０温度および約８０～２８０バールの圧力を有し得る。また、熱交換器８９３は、反応器アセンブリの出力から熱を回収するために最適な方法で接続された単一の熱交換器または複数の熱交換器として設計することができる。
次に、混合ガスは、熱交換器出口９２０を介して熱交換器８９３を出るが、この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる。混合ガスは次に、予熱器入口９２０を介して、１０～１００ｋＷ（好ましくは１０～４０ｋＷの範囲）の電気ヒータを備えた予熱器４６０に入る。予熱器４６０は任意のサイズであり得るが、好ましくは０．００８～０．８ｍ３（より好ましくは０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。予熱器４６０は、ステンレス鋼または高温に対応し得る他の好ましい材料から作ることができる。予熱器４６０は、混合ガスの温度および圧力を、好ましくは２５０～４５０℃および８０～２８０バール（より好ましくは１００～２８０バールの範囲）まで上昇させる。予熱器４６０を出るガスの好ましい動作温度は、３００℃プラスマイナス１０℃である。しかしながら、温度および圧力は特に限定されず、システム内で選択される他の構成要素の種類に基づく任意の適切な温度および圧力であってよい。次いで、加熱された混合ガスは、予熱器出口４６１を介して予熱器４６０を出て（この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる）、アンモニア反応器アセンブリ４８０～４８３に入る。
アンモニア反応器アセンブリ４８０～４８３は、任意の所望のサイズであってよいが、好ましくは、０．００８～０．８ｍ３（より好ましくは、０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。反応器４８０は、好ましくは３１６ステンレス鋼材料または他の適切な材料から作られ、サイズは所望の処理速度によって決定される。多反応器アセンブリは、例えばＲ－ｌ、Ｒ－２、Ｒ－３からＲ－ｘまでの直列または並列の反応器のセットとすることができ、生産を制御し、アンモニアの収率を最大にするのに適している。異なる負荷で、つまりシステムの負荷をオン・オフしたり変化させたりして運転するには、変化に迅速に対応できる反応器のセットが必要である。問題は、反応器内部のガス間熱伝達から生じる。高速応答を得るためには、反応器の熱伝達を加熱に対して高速応答するように設計しなければならない。反応器の寸法は、触媒装填、反応速度、温度、圧力、反応物の濃度に依存する。理想的に小型の反応器は、壁対容積の比率が高いため触媒合成に有利であるが、容積が小さいため処理に苦慮する。したがって、多反応器アセンブリという用語には、アンモニアの生産速度が一緒に組み立てられた反応器の数に大きく依存する、一定数の小型反応器が含まれる。日産１００ｋｇを処理するためには、反応器は長さ約１～２メートル、直径約１０～２０センチメートルを有し得る。反応器には触媒が含まれる。触媒床は軸方向に放射状に配置された円筒形のバスケットで、上部のスクリーンが開いており、カプセルに挿入することができる。カプセルは、触媒バスケットを圧力容器の壁から分離する（壁に沿った冷却と均等な熱伝達のため）。ラジアルフローは、オープントップ構成の反応器で好ましい。カプセルは、触媒の装填と取り出しの操作を簡素化する。触媒は酸素に非常に敏感であるため、システムへの装填の際には慎重な配慮が必要である。したがって、前述の設計記述を用いれば、触媒を適切な条件（例えば窒素雰囲気、ダストを除去するためのふるい分け、床全体の均一性を確保するための高密度ローダーによる装填）でシステム外で装填し、反応器に移送・挿入することができる。経年劣化や不活性化により、メンテナンスは約２５年後に行われる。
さらに、反応器アセンブリ４８０～４８３内の温度及び圧力は、温度及び圧力センサを通して記録することができる。反応器アセンブリ４８０～４８３は、電気と加熱コイルを利用して熱エネルギーを生成し、必要な反応条件に従って反応器に伝達する電気炉で覆われていてもよい。この熱エネルギーは、始動時および触媒活性化時に使用することができる。アンモニア合成プロセスは本質的に発熱性であり、アンモニアが製造されると、発生した熱は反応器アセンブリ４８０～４８３を高い反応温度に維持するために使用される。反応器Ｒ－１、Ｒ－２、Ｒ－３およびＲ－ｘには、合成プロセスを助けるマグネタイトベースの市販触媒などのアンモニア合成触媒が充填される。市販されているいくつかの触媒が考えられる。より低い合成圧力および温度はエネルギー節約に望ましく、低い温度および圧力下で動作できる触媒で達成することができる。例えば、酸化鉄触媒に添加される促進剤は、様々な動作温度と圧力の範囲下で触媒構造と性能の大きな改善を示す。また、ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、およびセシウムとバリウムの異なる混合物で促進されたルテニウム触媒などの非鉄触媒は、低い温度および圧力のアンモニア合成に有効であることが示されている。これらは、ＫＡＡＰプロセスやＫＢＲプロセスなどの既知のアンモニアプロセスの商業化に貢献した。
アンモニア及び未反応の水素ガス及び窒素ガスは、２５０～４５０℃の温度で反応器アセンブリ出口４７０を介して反応器アセンブリ４８０～４８３を出て（この際圧力及び流量はそれぞれレギュレータバルブ及びマスフローコントローラを介して制御することができる）、熱交換器８９３に入る。アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、５０～１００℃の温度で熱交換器出口８９５を介して熱交換器８９３を出て、凝縮器５１０に入る。
凝縮器５１０は、空気チラー、水チラー、または冷媒ベースのチラーであり得、０．１～０．８ｍ２（より好ましくは０．１～０．５ｍ２の範囲）の表面積を有し得る。凝縮器５１０は、冷媒がチラー５５０に入り、凝縮器構成要素出口５６０を介してチラー５５０から出ることができる凝縮器構成要素入口５４０を含む。冷媒は、空気、水、または他の冷媒（例えば、Ｒ１３４Ａ、Ｒ３３等）であり得る。チラー５５０は、蒸気圧縮冷却サイクルまたは蒸気吸収冷却サイクルを使用し得る。蒸気圧縮サイクルは電気入力で動作する。蒸気吸収サイクルは熱入力で動作する。凝縮器構成要素出口５６０における冷媒の圧力および温度は、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－２０～－５℃（より好ましくは－１０～－５℃の範囲）および５～１０バールである。凝縮器構成要素入口５４０の冷媒の圧力および温度も、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－５～１℃および１～５バールである。
凝縮器５１０は、製造されたアンモニアを未反応の水素ガスおよび窒素ガスから分離する。合成反応器アセンブリ４８０～４８３は約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バールの高圧で運転されるので、製造されたアンモニアは凝縮器５１０を通して凝縮される。しかしながら、圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な圧力であってもよい。アンモニアの凝縮温度は圧力と共に上昇するため、アンモニアは、変換率に応じたアンモニアの分圧を伴う凝縮器５１０内で液化される。液体アンモニアは混合物から分離し、分離器入口６００を介して分離器６２０に沈殿する。残りの未反応の水素ガスおよび窒素ガスは再循環され、－１５～２５℃の温度（より好ましくは－１０～２５℃の範囲）で熱交換器入口９００を介して熱交換器８９３に送り返される。
分離器６２０は、０．００５～０．５ｍ３（より好ましくは０．００５～０．０５ｍ３の範囲）の容積を有するフラッシュドラムであり得る。次いで、アンモニアは、分離器出口６３０を経由して分離器６２０を出て、貯蔵ユニットに至る。分離器６２０の出口圧力は、必要な貯蔵圧力に応じて調節弁を介して変化させることができる。
発電・蓄電ユニット８００は、電力を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給する。ユニット８００は、風力、太陽光、潮力、地熱、および水力などの再生可能エネルギー資源を含む、あらゆる電力源を使用することができる。電気入力を必要とするシステム構成要素には、電気入力８４０を介したＨＰＵ３２５、電気入力８１０を介したＮＰＵ２２５、電気入力８２０を介した空気圧縮・貯蔵ユニット２１０、電気入力８３０を介した予熱器４６０、および電気入力８５０を介した水処理・貯蔵ユニット３１０が含まれる。これらの構成要素は、機械に電力を供給するために使用できる１つの接続を形成するために電気的接続で接続されることができる。したがって、モジュール式アンモニア製造装置は、電気供給部を有する任意の場所に好都合に輸送することができ、アンモニアを製造するために接続することができる。
バッチプロセス構成を備えた本発明の別の実施形態が図６に示されている。
図１と同様に、空気入口２００は、空気（好ましくは室温および大気圧）が空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に入ることを可能にする。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気中の空気を取り込み、加圧する。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、高圧、好ましくは１０～１００バール、より好ましくは７０～１００バールの範囲で空気を貯蔵することができる。その後、必要に応じて空気をより低圧に調節することができる。例えば、空気は４～３０バール、好ましくは４～５バールで使用することができる。この圧力は、吸着プロセスと、それに続く脱着プロセスを行うために必要である。圧縮・貯蔵ユニット２１０は、往復圧縮機またはスクリュー圧縮機であり得る。空気圧縮・貯蔵ユニット２１０は、大気空気を加圧し、ＰＳＡ入口２２０を介してＰＳＡ２３０に送る。ＰＳＡ入口は、調節された圧力、好ましくは３～６バールでＰＳＡ２３０に空気を供給する。ＰＳＡ２３０は、空気から酸素と窒素を吸着ベースで分離する。吸着剤は、炭素モレキュラーシーブ、ゼオライト、または他の適切な吸着剤であり得る。例えば、ＰＳＡ２３０は、炭素モレキュラーシーブで満たされた密閉コンテナを含み得る。コンテナ内の加圧雰囲気とモレキュラーシーブの存在により、空気中の酸素分子の吸着が可能になる。こうして酸素分子が吸着されると、残りの窒素分子はコンテナから出て別の密閉区画に入る。吸着された酸素は、時間遅延リレーを介して空気圧縮・貯蔵ユニット２１０を制御することによって生じる圧力スイングによって脱着する。その後、酸素は酸素出口７００を通って進み、貯蔵容器に貯蔵されることができる。この酸素は、ＣＯＶＩＤ－１９の治療などの緊急目的に使用することができる。窒素は、ＰＳＡ出口２４０を介してＰＳＡ２３０から出て、膨張タンク２４５に入る。ＰＳＡ出口２４０の窒素は、好ましくは２６～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。膨張タンク２４５内の窒素はわずかに、好ましくは２５～４０℃に冷却される。膨張タンク２４５は任意のサイズとすることができるが、好ましくは０．５～２ｍ３の容積を有する。膨張タンク２４５は、窒素を乾燥させるためのふるい分子を含んでいてもよく、また、１０～５０バールの間の圧力を維持するためのアキュムレータとブラダー油圧システムを備えていてもよい。必要に応じて、窒素は窒素膨張タンク出口２５０を通って膨張タンク２４５から出る。
水入口３００は、水（好ましくは室温および３～５バール）が水処理・貯蔵ユニット３１０に入ることを可能にする。水は純水であってもよい。また、水処理プロセスがシステムに統合されている場合、水はかん水、海水、塩水、廃水であってもよい。このように、水処理・貯蔵ユニット３１０は、逆浸透プロセス、かん水の浄化、または廃水処理プロセスを含む場合がある。その後、水は、好ましくは３０～６０℃の温度および３～５バールの圧力で、水処理・貯蔵ユニット出口３２０を経由して水処理・貯蔵ユニット３１０を出て、搭載型水素を製造する電解装置３３０に入る。電解装置３３０では、水が電気化学的に酸素ガスと水素ガスに分解される。電解装置３３０は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、陰イオン交換膜（ＡＥＭ）、またはアルカリ性であり得る。
電解装置または水素３３０を製造する他の方法は、圧縮機で発生する熱など、システム内の廃熱を利用して水を最初に予熱する、本発明のシステムにおける独自の方法で利用することができる。電解装置３３０への入力水の温度を上げることで、水素製造率およびシステム全体の効率を高めることができる。したがって、空気圧縮・貯蔵ユニット２１０に冷却を提供し、アンモニア合成中の水素製造を促進するために水電解装置３３０への入力として機能する、新しい水循環設計を採用することができる。電解装置３３０は、２～５０バール（より好ましくは１０～５０バールの範囲）の圧力で水素ガスをシステム内に導入できる高圧ＰＥＭ型電解装置であることが好ましいが、正確な圧力は、選択される電解装置のタイプの定格出力によって決定される。電解装置３３０の温度は、好ましくは２５～４６℃の範囲である。
電解装置３３０で製造された酸素は、酸素出口７５０から出て、貯蔵容器に貯蔵される。この酸素は、ＣＯＶＩＤ－１９の治療などの緊急目的に使用することができる。
水素は、電解装置出口３４０を通って電解装置３３０から出る。水素は、好ましくは２５～４６℃、１０～５０バール、９９．９９５％という高純度、露点５ｐｐｍ以下である。その後、水素は三方調節弁３４５に入り、この弁は必要条件に基づいて出口圧力と流量を制御する。本発明のプロセスに必要な水素は、三方調節弁３４５の出口３５０を通って弁３４５を出て、水素膨張タンク３５５に入る。水素膨張タンク３５５は任意のサイズとすることができるが、好ましくは０．０５～０．１ｍ３の容積を有する。水素膨張タンク３５５は、水素を乾燥させるために五酸化リンを含むことができ、１０～５０バールの圧力を維持するためのアキュムレータとブラダー油圧システムを備えることもできる。必要に応じて、水素は水素膨張タンク出口３６０を通って水素膨張タンク３５５から出る。水素の圧力は圧力レギュレータで調節することができる。
余剰の水素は、三方調節弁３４５の出口３８０を通って進み、貯蔵容器に貯蔵される。
窒素膨張タンク出口２５０を経由して膨張タンク２４５から出る窒素と、水素膨張タンク出口３６０を経由して水素膨張タンク３５５から出る水素は、ともに２５～４０℃、１０～５０バールで窒素および水素入力４００に入る。膨張タンク２４５と水素膨張タンク３５５を使用して、水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルという化学量論的比率で、窒素および水素入力４００へのガスの流入を制御することができる。この比率は最適に近いが、他の比率も可能である。比率が異なれば、得られる量も異なる。水素ガス３モルに対して窒素ガス１モルのモル比の反応物混合物は、マスフローコントローラとソレノイドバルブの使用によって得ることができる。窒素マスフローコントローラは窒素の流量を制御し得、水素マスフローコントローラは水素の流量を制御し得る。
窒素と水素の混合ガスは次に混合ガスブースタ入口４１０に入るが、この際圧力と流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる。次に、適切なモル比の水素と窒素の反応物混合ガスは混合ガスブースタに入る。ガスブースタは、反応物混合物の圧力を約４～３０バール（好ましくは２５～３０バール）から約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バール（より好ましくは１３５～１５０バール）まで上昇させる。しかしながら、圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択される他の構成要素のタイプに基づいて、任意の適切な圧力とすることができる。ガスブースタは、水素と窒素の混合物を高圧で圧縮する混合ガス圧縮機に置き換えることもできる。混合ガス圧縮機はまた、本発明のシステムから圧縮空気貯蔵タンクの必要性を排除する。
混合ガスは、混合ガスブースタ出口４５０からガスブースタを出るが、この際圧力と流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラで制御することができる。混合ガスは次に予熱器４６０に入り、予熱器４６０は１０～１００ｋＷ（より好ましくは１０～４０ｋＷの範囲）の電気ヒータを備えている。予熱器４６０は任意の所望のサイズとすることができるが、好ましくは０．００８～０．８ｍ３（より好ましくは０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。予熱器４６０は、混合ガスの温度および圧力を、好ましくは２５０～４５０℃および８０～２８０バール（より好ましくは１００～２８０バールの範囲）まで上昇させる。予熱器４６０を出るガスの好ましい動作温度は、３００℃プラスマイナス１０℃である。しかしながら、温度および圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な温度および圧力であってよい。次いで、加熱された混合ガスは、予熱器出口４７０を介して予熱器４６０を出て（この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる）、アンモニア反応器４８０に入る。
アンモニア反応器４８０は、任意の所望のサイズとすることができる、好ましくは０．００８～０．８ｍ３（より好ましくは０．００８～０．１ｍ３の範囲）の容積を有し、管状である。反応器４８０は、好ましくは３１６ステンレス鋼材料または他の適切な材料から作られ、サイズは所望の処理速度によって決定される。日産１００ｋｇを処理するために、反応器は約１～２ｍの長さおよび約１０～２０ｃｍの直径を有することができる。反応器には触媒が含まれる。触媒床は軸方向に放射状に配置された円筒形のバスケットで、上部のスクリーンが開いており、カプセルに挿入することができる。カプセルは、触媒バスケットを圧力容器の壁から分離する（壁に沿った冷却と均等な熱伝達のため）。ラジアルフローは、オープントップ構成の反応器で好ましい。カプセルは、触媒の装填と取り出しの操作を簡素化する。触媒は酸素に非常に敏感であるため、システムへの装填の際には慎重な配慮が必要である。したがって、前述の設計記述を用いれば、触媒を適切な条件（例えば窒素雰囲気、ダストを除去するためのふるい分け、床全体の均一性を確保するための高密度ローダーによる装填）でシステム外で装填し、反応器に移送・挿入することができる。経年劣化や不活性化により、メンテナンスは約２５年後に行われる。
さらに、反応器４８０内の温度及び圧力は、温度センサ及び圧力センサを通して記録することができる。反応器４８０は、必要な反応条件に応じて反応器に伝達される熱エネルギーを生成するために電気と加熱コイルを利用する電気炉で覆われていてもよい。この熱エネルギーは、始動時や触媒の活性化時に利用することができる。アンモニア合成プロセスは本質的に発熱性であり、アンモニアが製造されると、発生した熱は反応器４８０を高い反応温度に維持するために使用される。反応器４８０には、合成プロセスを助けるマグネタイトベースの市販触媒などのアンモニア合成触媒が充填される。市販されているいくつかの触媒が考えられる。より低い合成圧力および温度は、エネルギー節約のために望ましく、低い温度および圧力下で動作することができる触媒で達成することができる。例えば、酸化鉄触媒に促進剤を添加すると、さまざまな動作温度と圧力の範囲下で、触媒構造と性能が大きく改善される。また、マグネシウムおよびアルミニウムベースの触媒促進剤（ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ）、およびセシウムとバリウムの異なる混合物で促進されたルテニウム触媒などの非鉄触媒は、低い温度および圧力のアンモニア合成に有効であることが示されている。これらは、ＫＡＡＰプロセスやＫＢＲプロセスなどの既知のアンモニアプロセスの商業化に貢献した。
反応器４８０はまた、反応器配向装置４７１を含むことができ、これにより、反応器４８０を５度から３６０度まで回転させて、より良い変換効率を得ることができる。
アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、反応器出口４９０を介して反応器４８０を出て（この際圧力および流量はそれぞれレギュレータバルブおよびマスフローコントローラを介して制御することができる）、冷却コイル４９５に入る。冷却コイル４９５の形状およびサイズは様々であり得るが、好ましくはらせん状コイルである。冷却コイル４９５は、アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスの温度を５０～２００℃に低下させる。アンモニアおよび未反応の水素ガスおよび窒素ガスは、その後、冷却コイル出口５００を介して冷却コイル４９５を出て、凝縮器５１０に入る。
凝縮器５１０は、空気チラー、水チラー、または冷媒ベースのチラーであり得、０．１～０．８ｍ２（より好ましくは０．１～０．５ｍ２の範囲）の表面積を有し得る。凝縮器５１０は、冷媒がチラー５５０に入り、凝縮器構成要素出口５６０を介してチラー５５０から出ることができる凝縮器構成要素入口５４０を含む。冷媒は、空気、水、または他の冷媒（例えば、Ｒ１３４Ａ、Ｒ３３等）であり得る。チラー５５０は、蒸気圧縮冷却サイクルまたは蒸気吸収冷却サイクルを使用することができる。蒸気圧縮サイクルは電気入力で動作する。蒸気吸収サイクルは熱入力で動作する。凝縮器構成要素出口５６０における冷媒の圧力および温度は、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－２０～－５℃（より好ましくは－１０～－５℃の範囲）および５～１０バールである。凝縮器構成要素入口５４０の冷媒の圧力および温度も、使用される冷媒の種類に依存するが、好ましくは－５～１℃および１～５バールである。
凝縮器５１０は、製造されたアンモニアを未反応の水素ガスおよび窒素ガスから分離する。合成反応器４８０は約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バールの高圧で運転されるので、製造されたアンモニアは凝縮器５１０を通して凝縮される。しかし、圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素の種類に基づく任意の適切な圧力であってよい。
アンモニアの凝縮温度は圧力と共に上昇するため、アンモニアは、変換率に応じたアンモニアの分圧を伴う凝縮器５１０内で液化される。液体アンモニアは混合物から分離し、分離器入口６００を介して分離器６２０に沈殿する。残りの未反応の水素ガスと窒素ガスは再循環され、未反応ガス出口４２０を経由して混合ガスブースタ入口４１０に送り返される。未反応の水素ガスと窒素ガスは予熱器４６０よりも高い圧力であるため、別のガス圧縮機を必要とせずにガスを再循環することができる。したがって、この新しい方法論によって、未反応ガスは再循環され、製造されたアンモニアは、追加の冷蔵システムを必要とせずに分離される。
分離器６２０は、０．００５～０．５ｍ３、より好ましくは０．００５～０．０５ｍ３の範囲の容積を有するフラッシュドラムであり得る。その後、アンモニアは、分離器出口６５０を介して分離器６２０を出て、貯蔵ユニットに至る。分離器６２０の出口圧力は、必要な貯蔵圧力に応じて調節弁を介して変化させることができる。
発電・蓄電ユニット８００は、電力を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給する。ユニット８００は、風力、太陽光、潮力、地熱、および水力などの再生可能エネルギー資源を含む、あらゆる電力源を使用することができる。電気入力を必要とするシステム構成要素には、電気入力８４０を介した電解装置３３０、電気入力８１０を介したＰＳＡ２３０、電気入力８２０を介した空気圧縮・貯蔵ユニット２１０、電気入力８３０を介した予熱器４６０、および電気入力８５０を介した水処理・貯蔵ユニット３１０が含まれる。これらの構成要素は、機械に電力を供給するために使用できる１つの接続を形成するために電気的接続で接続されることができる。したがって、モジュール式アンモニア製造装置は、電気供給部を有する任意の場所に好都合に輸送することができ、アンモニアを製造するために接続することができる。
図７は、本発明の輸送可能なアンモニア製造装置を採用することによる塩の製造と炭素の捕捉の概略図を提供する。具体的には、水、空気、電力を本発明の輸送可能なアンモニア製造装置に入力し、酸素およびアンモニアを製造する。次に、製造されたアンモニア、水、二酸化炭素、および電力を二酸化炭素捕捉システムに入力して、アンモニアとＮＨ４ＨＣＯ３を製造することができる。
本発明のシステム構成要素のための電力入力は、太陽エネルギーや風力エネルギーなどの再生可能エネルギー資源を介して得ることができ、これにより開発されたアンモニア製造装置は環境に優しいアンモニアを製造することが可能になる。このように、モジュールサイズのアンモニア製造装置は、環境に優しいアンモニアを合成することができる。システムは、５０ｋｇ／日から１０００ｋｇ／日までのアンモニア生産量に対応するように設計されている。システム構成要素のサイズはそれに応じて設計されている。しかしながら、必要なアンモニアの生産量に応じて、より大きなサイズや小さなサイズの構成も可能である。
最終的に、コンテナ化されたシステムの入力は、水素と窒素と電力である。ＮＨ３１モル（０．０１７ｇ）に対して、１．５モルのＨ２（０．００３ｇ）が必要である。アンモニア合成に必要なエネルギーを評価するため、１Ｌの液体ＮＨ３（０．６９８ｋｇ）または４１．０５モルに基づいて水素製造量を計算する。水素の必要量は６１．５７５モル（０．１２３ｋｇ）であることが分かっている。水素製造に必要な電気量を理解するため、電解装置の効率を電流効率１００％とする。この結果、水の解離のエンタルピー変化に等しい電気的入力がもたらされ、これは１４２ＭＪ／ｋｇのＨ２、または１ｋｇのＨ２に対して３９．４５ｋＷｈである。液体ＮＨ３１リットルに必要なエネルギー量について、電解装置消費量は４．８６ｋＷｈであることが分かっている。また、実用効率を５０％とすると、電解装置に必要な量は９．７２ｋＷｈであると計算される。電力対アンモニアシステムのエネルギー効率は、有用な出力と入力に基づいて得られる。結果は、１Ｌの液体アンモニア（密度＝６９８ｋｇ／ｍ３）を製造するための比エネルギーで表される。低温プロトン交換膜（ＰＥＭ）電解装置のエネルギー消費量は、約６．８ｋＷｈ／Ｌ ＮＨ３を必要とし得る。
例えば、典型的な全自動３００ｋｇ／日のコンテナ化されたシステムでは、ＩＳＯ ２０フィートコンテナ３個を使用する。第１のコンテナには、水処理装置、電解装置、水素圧縮・貯蔵システム、バッファタンク、電気配線、ガス配管、ガス検知システム、アクティブ換気、内部制御・監視システム、空調制御システム、仕切りゾーン、サービスドア、および安全・緊急システムが収納されている。主に、プロジェクト現場で利用可能な公称４００ＶＡＣ ３相５０または６０Ｈｚの送電網接続バスに直接接続することで、カーボンフリーの送電網（太陽光、風力、または任意のカーボンフリー電源など）からシステムに電力が供給される。電解装置を作動させるために、純水の供給が必要である。水処理システムは、水素製造システム内で約１８Ｌ／ｈの量を供給される。これにより、入手しやすい水源から純水が生成される。電気分解の間、電解装置内で水素と酸素の両方が製造される。予想される水素製造能力は、約２．６２ｋｇ／ｈで、およそ１５０バールの圧力で貯蔵される。第２のコンテナには、空気圧縮・貯蔵システム、窒素発生装置、窒素圧縮・貯蔵システム、電気配線、ガス配管、ガス検知システム、アクティブ換気、内部制御・監視システム、空調制御システム、仕切りゾーン、サービスドア、安全・緊急システムが収納されている。窒素製造に必要な空気流量は約１２０Ｎｍ３／ｈで、約８バールの圧力で供給される。予想される窒素製造能力は、約１５ｋｇ／ｈで、約１５０バールの圧力で貯蔵される。第３のコンテナには、ガス混合システム、多反応器アセンブリ、予熱器、熱交換器、チラー、凝縮器、分離器、混合ガス昇圧システム、電気配線、ガス配管、ガス検知システム、アクティブ換気、内部制御・監視システム、空調制御システム、仕切りゾーン、サービスドア、安全・緊急システムが収納されている。システムは２０％～１００％のキャパシティで運転可能で、予想されるアンモニア製造量は約１２．５ｋｇ／ｈで、約１５０バールの圧力で貯蔵される。このシステムには、包括的で統合された制御・監視（Ｃ＆Ｍ）システムが供給される。制御・監視システムは、ガス機器用のセンサを使用し、システムのオン／オフ、メンテナンス、最適化などの遠隔操作のために３個のコンテナにリンクされている。コンテナアセンブリは、輸送や遠隔地での設置が容易で、ハードウェアを保護しながら極端な気象条件下でもシステムを作動させることができる。また、各コンテナは他のコンテナから独立して動作可能なため、１個のコンテナがメンテナンス中であっても、他のコンテナは影響を受けない。
ガスブースタは従来型の装置である。従来のガス圧縮機を使用すれば、必要に応じて１００バール以上を達成できるが、コストと消費電力が高い特殊な水素圧縮機が必要になるだろう。このシステムはモジュール式で輸送が可能なため、所望の製造能力を達成するには１００バールで十分である。この圧力は、より高性能のブースタを使用することで高めることができる。より高性能のブースタを使用すればコストは高くなるだろうが、より高い出口圧力が得られるだろう。予熱器は従来型の反応器であり、反応物ガスが入力され、必要な出力温度を達成するために温度が上げられる。ガスブースタは機械式装置であり、高圧継手を介して予熱器に接続される。予熱器はコイルヒータを用いて加熱される。
反応物混合物は、ほぼ４～３０ｂａｒでガスブースタに入り、予熱器または第１の反応器に送られる前に、約８０～２８０バール、好ましくは１４５バールプラスマイナス１０バールの高圧に昇圧される。しかしながら、圧力は特に限定されるものではなく、システム内で選択される他の構成要素のタイプに基づいて、任意の適切な圧力とすることができる。より高い反応物圧力は、アンモニア合成中のより高い変換率に有利であり、したがってプロセスにおいて望ましい。この圧力上昇は従来のプラントにおいては水素圧縮機または窒素圧縮機によって達成される。したがって、本発明のシステムはガスブースタを使用しているため、この温度上昇技術により、これらの圧縮機の使用を排除する。
水素の製造方法、同様に窒素の製造方法およびそれに対応する機器の選択により、それぞれの装置の出力圧力と温度は異なる。したがって、ガスを混合し、混合物を作動圧力まで昇圧するプロセスは、標準的な工学設計基準と経済性によって決定することができ、昇圧圧縮機を必要としない場合もある。
本発明で開発されたシステムにより、アンモニア合成時の再循環のために追加の圧縮機を使用する必要がなくなる。新しい再循環プロセスでは、空冷凝縮器を使用して未反応ガスを再循環する。このプロセスはまた、システム全体の電力消費を削減し、水素圧縮機のコストも削減する。未反応ガス混合物は約９０～１５５バール、１４５バールプラスマイナス１０バールより高い圧力にあるため、圧縮機やブースタを必要とせずに予熱反応器に入る。しかしながら、圧力は特に限定されず、システム内で選択された他の構成要素のタイプに基づく任意の適切な圧力であってもよい。必要な温度が達成されると、反応物混合物はアンモニア合成反応器に入ることを許容され、このプロセスが運転毎に繰り返される。
本発明の別の実施形態は、新しいアンモニア分離システムに向けられており、このシステムでは、より大型のシステムにおいて必要とされ得る２つ以上の並列分離容器が液体アンモニアを収集し、効果的な未反応ガスの再循環を可能にする。この新しい再循環プロセスは、２つの並列分離容器を使用して未反応ガスを再循環し、アンモニアを凝縮して未反応ガスを再循環するために従来のアンモニア合成プラントで採用されている冷蔵システムに取って代わるものである。
未反応の水素ガスおよび窒素ガス、並びに液化アンモニアがサブシステムに入る。下部で並列に接続された２つのアンモニア収集容器により、液化アンモニアは適切な圧力バランスを維持しながら両容器に沈降する。すなわち、２つの並列分離容器が圧力差に基づいてアンモニアと未反応ガスを分離し、未反応ガスが上部から分離される間に液体が沈降する。両容器が底部で接続されているため、容器の過加圧が生じない。具体的には、２つの並列分離容器は、圧力差に基づいてアンモニアと未反応ガスを分離する。ガスが第１の圧力を通過し、ガスが入り続けると、追加のガスは平衡に従って第２の容器に移動し、未反応ガスはアンモニアが分離されると再循環される。また、この方法では、高圧の未反応ガス混合物は、アンモニアの下方沈降に影響を与えることなく、再循環ループを通過する。
一実施形態において、未反応ガスと凝縮器からアンモニアを分離するために使用される１つまたは複数の並列分離容器を採用するこの新しいアンモニア分離システムは、吸収冷却システムベースの冷蔵ユニットと置き換えることができる。この冷蔵ユニットは、システム内で利用可能な廃熱を利用して作動し、未反応の水素と窒素を分離して合成ガスストリームから合成アンモニアを液化することができ、システムの性能に応じて設計することができる。この方法では、凝縮器からの液体アンモニアを適切な圧力バランスを維持して容器の底に沈降させる２つの並列容器を統合する代わりに、冷蔵ユニットを使用して未反応ガスからアンモニアを分離することができる。冷蔵システムを作動させるための廃熱は、発熱性アンモニア合成反応と圧縮機動作から得ることができる。
アンモニア合成反応器には、多床式触媒を採用することができる。この触媒は、非従来型のルテニウムベース触媒やウスタイトベース触媒、従来型の酸化鉄触媒などの異なる貴金属触媒、またはシステムの容積要件または触媒コストおよび性能によって決定され得る他の触媒であってもよい。この多床触媒構成により、アンモニア変換率およびシステム効率が改善され得る。多床触媒構成は、単一の従来の酸化鉄ベースの触媒反応器と比較して、アンモニア製造量を増加させることができる。
さらなる実施形態では、やはり所望の出力に応じて、再循環ガスを流入する新しいガスと混合する前または後に再加熱する目的で、反応器からの出口ガスを部分的に冷却するために熱交換器を使用することができる。このプロセスは２つの目的を果たす：第１に、反応器内で発生した全ての反応熱を完全にまたは部分的に回収することであり、第２に、反応器出口ガスを別のシステムで冷却する必要性を実質的に低減または排除することである。
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を記載するためだけのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかにそうでないことが示されない限り、複数形も含むことが意図される。さらに、本明細書において使用される場合、「備える、含む（“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”および／または“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」という用語は、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在および追加を排除するものではないことが理解されるであろう。
本発明を様々な実施形態の記載によって示し、これらの実施形態をかなり詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限したり、いかなる方法によっても限定したりすることは、出願人の意図するところではない。追加の利点および修正は、当業者に容易に現れるであろう。したがって、本発明は、その広範な態様において、示され記載された特定の詳細、代表的な装置および方法、並びに例示的な実施例に限定されるものではない。当業者が特許請求される発明を作製および使用することを十分に可能にするために、出願人は、様々な詳細な実施形態の利点および欠点の両方に関する情報を提供した。当業者であれば、用途によっては、上記で詳述したような特定の実施形態の欠点が完全に回避されるか、または特許請求される本発明によって提供される全体的な利点によって凌駕される場合があることを理解するであろう。したがって、出願人の一般的な発明概念の趣旨または範囲から逸脱することなく、上記の詳細な教示から逸脱することができる。
Claims (48)
- 空気、水、および電気負荷変動に追従可能な電源から無水アンモニアを製造するためのコンテナ化されたシステムであって、
水源から水素ガスを製造するコンテナ化された水素製造ユニット；
空気源から窒素ガスを抽出するコンテナ化された窒素製造ユニット；
上流の窒素および水素ガス源からアンモニアを合成するコンテナ化されたアンモニア製造ユニット、
を備えるシステム。 - 前記コンテナ化された水素製造ユニットが、低温電解装置、高温電解装置、バットライザ、または液体／蒸気媒体から水素を製造する他のそのような方法によるものを備え、製造された水素が９９．９９５％の最低純度を有する、請求項１に記載のシステム。
- 前記低温電解装置が、プロトン交換膜（ＰＥＭ）電解装置、陰イオン交換膜（ＡＥＭ）電解装置、またはアルカリ電解装置をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
- 前記高温電解装置が、固体酸化物電解装置をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
- 前記液体／蒸気媒体から水素を製造する他のそのような方法が、光電気化学的水分解、ＣｕＣｌ、またはＭｇＣｌ２熱化学的水素製造プロセスをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
- 前記コンテナ化された水素製造ユニットが、水処理・貯蔵ユニットを備え、水は、水、かん水、海水、塩水、または廃水の少なくとも１種類を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記水処理・貯蔵が、逆浸透プロセス、かん水浄化、または廃水処理プロセスを含み得る、請求項６に記載のシステム。
- 前記コンテナ化された水素製造ユニットが、水素ガス昇圧システムおよび水素ガス貯蔵用バッファシリンダを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記水素ガス貯蔵用バッファシリンダが、アキュムレータおよびブラダー油圧システムをさらに備える、請求項８に記載のシステム。
- 前記水素ガス貯蔵用バッファシリンダが、水素ガスをさらに乾燥させるために五酸化リンを含む、請求項９に記載のシステム。
- 前記電源が、電気を必要とするあらゆるシステム構成要素に電力を供給するための発電・蓄電ユニットを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記発電・蓄電ユニットが、電力が遮断されたときに電気を供給するためのインバータとバッテリ一体型システムとをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
- 前記電源が、送電網に接続された風力、太陽光、潮力、地熱、および水力の少なくとも１つの再生可能エネルギー資源を含む、請求項１１に記載のシステム。
- 前記コンテナ化された窒素製造ユニットが、加圧空気を生成し貯蔵する搭載型空気圧縮・貯蔵ユニット、圧力スイング吸着プロセス、または圧縮空気を取り込み、一連の吸着・脱着プロセスを通じて窒素ガスを製造する、メンテナンスを必要としない再生分子を使用する他の方法、あるいは、製造された窒素が９９．９９５％の最低純度を有する、空気から窒素を製造する他のそのような方法を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記コンテナ化された窒素製造ユニットが、窒素ガス昇圧システムと窒素ガス貯蔵用バッファシリンダとを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記窒素ガス貯蔵用バッファシリンダが、アキュムレータとブラダー油圧システムとをさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
- 前記水素ガス貯蔵用バッファシリンダが、窒素ガスをさらに乾燥させるためにモレキュラーシーブを含む、請求項１５に記載のシステム。
- 前記コンテナ化されたアンモニア製造ユニットが、加圧空気を用いて水素ガスと窒素ガスとの混合物の圧力を上昇させる混合ガス昇圧システムを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記コンテナ化されたアンモニア製造ユニットが、アンモニアの製造を制御してその収率を最大化するのに適した、直列または並列に接合された多反応器アセンブリを備える、請求項１８に記載のシステム。
- 前記多反応器アセンブリが、第１の反応器が前記混合ガス昇圧システムからの水素ガスおよび窒素ガスの混合物を予熱し、第２の反応器がアンモニアを形成するために水素ガスおよび窒素ガスの前記予熱された混合物を触媒するための触媒を装填される２つの反応器；およびアンモニアを未反応ガスから分離する再循環ループをさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
- 前記多反応器アセンブリが、アンモニアの製造速度が一緒に組み立てられた反応器の数に大きく依存する、設定された数の小型反応器を備える、請求項２０に記載のシステム。
- 前記空気圧縮・貯蔵ユニットから空気圧縮機によって拒絶された熱が、前記水素製造ユニットに入る精製された水源を温めるために使用されるループと、
前記空気圧縮機によって加熱された水が前記空気圧縮機から出て、前記加熱された水を水素ガスに変換する前記水素製造ユニットに入る第１のラインと、
未反応の水と酸素が前記水素製造ユニットから出て前記ループに戻る第２のラインと
をさらに備える、請求項１に記載のコンテナ化されたシステム。 - 前記第１の反応器が、水素ガスと窒素ガスの混合物の圧力を上昇させる、請求項１に記載のシステム。
- 前記第２の反応器からの出口ガスが、余剰熱を前記第１の反応器の入力ラインに供給すると同時に前記出口ガスを冷却してアンモニアの凝縮を促進する熱交換器を最初に通過する、請求項１に記載のシステム。
- 前記反応器アセンブリからの出口ガス中の余剰熱が、前記水素製造ユニットに入る水を加熱して、加水分解に必要なエネルギーを低減するために使用される、請求項１に記載のシステム。
- 前記再循環ループが、
アンモニアガスを液体アンモニアに凝縮する空冷式または水冷式凝縮器、
を備える、請求項１に記載のシステム。 - 前記空気圧縮・貯蔵ユニットからの加圧空気を貯蔵する圧縮空気貯蔵タンク、
をさらに備える、請求項１に記載のシステム。 - 前記再循環ループが、
１つまたは複数のアンモニア収集容器であって、前記液体アンモニアが両方の収集容器に沈降し、前記収集容器内の圧力を平衡に保つように、前記収集容器の底部で並列に接続された１つまたは複数のアンモニア収集容器、
をさらに備える、請求項６に記載のシステム。 - 前記混合ガス昇圧システムの出口が、前記水素ガスと窒素ガスの混合物が予熱されてアンモニアを製造する前記第１の反応器に接続され、
前記第１の反応器の出口が、前記水素ガスと窒素ガスの混合物のアンモニアへのさらなる変換が行われる前記第２の反応器に接続される、請求項１に記載のシステム。 - 前記混合ガス昇圧システムの出口が、前記第１の反応器と前記第２の反応器の両方に接続される、請求項１８に記載のシステム。
- 前記再循環ループが、
前記システム内の廃熱を介して作動し、アンモニアガスを液化する吸収冷却システムベースの冷蔵ユニットと、
未反応ガスを前記ガスブースタまたは前記第１の反応器に戻す第３のラインと
をさらに備える、請求項２０に記載のシステム。 - 前記反応器アセンブリの触媒が多床式触媒である、請求項２０に記載のシステム。
- 空気と水からアンモニアを製造するためのプロセスであって、
プロトン交換膜電解装置を用いて水から水素ガスを製造すること、
圧力スイング吸着空気分離ユニットを用いて空気から窒素ガスを抽出すること、
空気圧縮機を用いて加圧空気を生成すること、
前記水素ガスと前記窒素ガスの混合物の圧力を、ガスブースタを用いて前記加圧空気を使用して上昇させること、
前記ガスブースタからの前記水素ガスと窒素ガスの混合物を第１の反応器内で予熱すること、
触媒を装填した第２の反応器内で、前記水素ガスと窒素ガスの予熱された混合物を触媒してアンモニアを形成すること、および
再循環ループ内で未反応ガスからアンモニアを分離すること、
を含むプロセス。 - 水中ポンプを用いて冷却のために前記空気圧縮機を通して貯水槽内の水をポンプで送ること、
前記空気圧縮機によって加熱された水が前記空気圧縮機から出て、前記加熱された水を水素ガスに変換する前記プロトン交換膜電解装置に入ることを可能にすること、および
未反応の水と酸素が前記プロトン交換膜電解装置から出て、前記貯水槽に戻ることを可能にすること、
をさらに含む、請求項３３に記載のプロセス。 - 前記予熱ステップが、前記水素ガスと窒素ガスの混合物の圧力を上昇させることをさらに含む、請求項３３に記載のプロセス。
- 前記分離ステップが、
空冷式凝縮器内でアンモニアガスを液体アンモニアに凝縮させること、および
未反応ガスが前記ガスブースタまたは前記第１の反応器に戻ることを可能にすること、
を含む、請求項３３に記載のプロセス。 - 前記空気圧縮機からの加圧空気を圧縮空気貯蔵タンクに貯蔵すること、
をさらに含む、請求項３３に記載のプロセス。 - 前記分離ステップが、
並列に接続された１つまたは複数のアンモニア収集容器の底に前記液体アンモニアを沈降させることであって、前記収集容器内の圧力が平衡に保たれる、沈降させること、
をさらに含む、請求項３６に記載のプロセス。 - 前記ガスブースタの出口が、前記水素ガスと窒素ガスの混合物が予熱されてアンモニアを製造する前記第１の反応器に接続され、
前記第１の反応器の出口が、前記水素ガスと窒素ガスの混合物のアンモニアへのさらなる変換が起こる前記第２の反応器に接続される、請求項３３に記載のプロセス。 - 前記ガスブースタの出口が前記第１の反応器と前記第２の反応器の両方に接続される、請求項３３に記載のプロセス。
- 前記分離ステップが、
前記システム内の廃熱を介して作動する吸収冷却システムベースの冷蔵ユニットでアンモニアガスを液化すること、および
未反応ガスを前記ガスブースタまたは前記第１の反応器に戻すこと、
を含む、請求項３３に記載のプロセス。 - 前記第２の反応器内の触媒が、鉄ベース触媒およびルテニウムベース触媒の両方を含む複数の触媒床を備える多床式触媒である、請求項３３に記載のプロセス。
- 輸送可能な水素およびアンモニアシステムを形成する単一のコンテナ化されたシステムまたは複数のコンテナ化されたサブシステムを備える、請求項３３に記載のシステム。
- 前記コンテナ化されたシステムが、異なる標準サイズおよび分類のものであり得る出荷用コンテナを備える、請求項４３に記載のシステム。
- 前記コンテナ化された水素製造ユニットが、断続的水素貯蔵を有する低温電解装置を備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記断続的貯蔵が、電力利用可能性に応じて適合させることができる、請求項４５に記載のシステム。
- 前記コンテナ化されたアンモニア製造ユニットが、変動に対応可能な反応器のセットを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記反応器がラジアルフロー反応器をさらに備える、請求項４７に記載のシステム。
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