TWI427035B

TWI427035B - 氨製備裝置

Info

Publication number: TWI427035B
Application number: TW100127412A
Authority: TW
Inventors: Chang Hsien Tai; Wu Jang Huang; Chuen Huey Chiu
Original assignee: Univ Nat Pingtung Sci & Tech
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2014-02-21
Also published as: US8409514B2; US20130034487A1; TW201307203A

Description

氨製備裝置

本發明係關於一種生質能源的氨製作方法，特別是一種提升製作效率且節省製程耗能的氨製作方法。

傳統用以生產氨氣的方法，係多採用哈伯法(Haber Process，也稱Haber-Bosch Process或Fritz-Haber Process)模式，惟經由該模式的反應效率較為緩慢，以致於傳統製法始終無法達到符合經濟效益需求之目的。

隨著生質能轉換技術的不斷提升，生質能的轉換利用已普遍施行於化學工業的各式製程。其中，空氣中所富含的各種物質更是生質能轉換再利用的重要原料來源。現階段係能以燃燒、熱化學轉換或生物化學轉換等方式，將空氣中所富含的物質加以利用而生成有值物料，以期望藉此降低製造氨氣所需耗費的能源，且同時達到環境物質回收再利用之功效。

如中華民國公開第200510249號「從水和氮得到氨之使用點製造方法」專利案，其係由去離子水與標準氮製造高純度氨、氫與氮的方法，以將去離子水經脫氣並供入電解式氫氣產生器以製造原料氫氣，再將氫氣純化並與純化氮氣混合、壓縮，然後供入催化氨氣反應器中，經由純化後，將氨氣連同純化氫氣與純化氮氣一起輸送至半導體加工工具。

一般而言，習知製造氨氣之方法，係透過純氮氣體直接與水電解所產生之氣態氫反應，以合成氨氣物料。然而，於常溫常壓狀態下，液態水分子中的氫分子與氧分子間鍵結強度，係不容許氫分子與氧分子產生分離，必須自外界通入強電流，使得該液態水分子到達電解能階時，方能使該液態水分子經由電解產出氣態氫分子及氣態氧分子。如此，不僅需消耗大量電能，更須透過長時間電解作用才能釋出足量的氣態氫分子，以致於氣態氫分子的產量明顯受限於電解水分子的反應時間，進而導致氣態氫分子生產效率低落，相對影響後續合成氨氣的效率及產量。

再且，於電解液態水生成氣態氫分子及氣態氧分子的過程，往往僅將該氣態氫分子用以與氣態氮作用生成氨氣，而氣態氧分子則無法有效加以利用，著實浪費且不符合能源再利用之目標。

有鑑於此，確實有必要發展一種提升氨生產效率之氨製作方法及其裝置，以秉持能源回收再利用之標準，解決如上所述之各種問題。

本發明之主要目的乃改善上述缺點，以提供一種氨製作方法，其係能夠以較低耗能自臨界態液態水電解產出氣態氫分子，以有效提升液態水之電解效率者。

本發明之次一目的係提供一種氨製作方法，係能夠提高氣態氫分子的產量，以有效提升氨氣生產效率者。

本發明之再一目的係提供一種氨製備裝置，係能夠降低氨氣製作過程所需耗費的能源，以有效達到節省能源者。

本發明之又一目的係提供一種氨製備裝置，係能夠將臨界態液態水電解產出的氣態氧分子回收儲存，以符合能源再利用者。

為達到前述發明目的，本發明之氨製作方法，係包含：一前置步驟，係將空氣溶於水，以產生混合有空氣之二相共存水溶液；一轉換步驟，係將該二相共存水溶液進行增壓增溫，使得該二相共存水溶液到達臨界態，而分離出臨界態氮與氧，以及臨界水，電解該臨界水而生成超臨界態氫及氧；及一合成步驟，係將該臨界態氮與該超臨界態氫進行合成反應，以生成氨氣。

其中，該二相共存水溶液所到達之臨界態係指壓力值為221大氣壓，溫度值為672K。再且，該轉換步驟中，係包含有一分離步驟、一再調控步驟及一電解步驟，以藉由該分離步驟、再調控步驟及電解步驟，獲得臨界態氮及超臨界態氫。

為實施上述氨製作方法，本發明更提供一種氨製備裝置，係包含：一混合單元；一轉換單元，係以一管路連通該混合單元，且該轉換單元與混合單元之間係設有一第一加壓件及一第一升溫件，該轉換單元係用以供臨界態氣體產出，該轉換單元係包含有一分離器及一電解器，該分離器係以一第一分支管路連通與該合成單元，；及一合成單元，係以另一管路連通該轉換單元，用以供臨界態氣體流入，且該合成單元另連接一排氣管路，用以排出該合成單元內的一合成氣體，該另一管路係包含一第一分支管路、一第二分支管路及一進氣管路，該第一分支管路連通該分離器及該合成單元，該第二分支管路連通該分離器及該電解器，該進氣管路連通該電解器及該合成單元。

其中，該氨製備裝置係能於該電解器以一排氣管路連通一儲存槽，且於該電解器與儲存槽之間更可以連接有數排熱件，藉此提升節能之效果。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，本發明之氨製作方法係包含一前置步驟S1、一轉換步驟S2及一合成步驟S3。

該前置步驟S1係選擇將富含多種物質之空氣溶於水，以產生混合有空氣之二相共存水溶液；以將該二相共存水溶液於該轉換步驟S2進行增溫增壓，使得該二相共存水溶液到達臨界態，而分離出臨界態氮與氧，以及臨界水，並電解該臨界水而生成超臨界態氫及氧；再於該合成步驟S3中，將該臨界態氮與該超臨界態氫進行合成反應，而生成氨氣。藉此，係藉由水溶液能快速增溫增壓之特性，使該二相共存水溶液到達臨界態，而以較低耗能自臨界水電解產出氣態氫分子，有效提升液態水之電解效率，達到提升氨氣生成效率及產量之功效。

本發明僅需透過混合之二相共存水溶液，快速達到臨界態，便能以較低耗能自該臨界水電解產出超臨界態氫及氧，而達成如上所述之功效。本發明為了以較低能耗達到較佳效果，係選擇以多段式增溫增壓方式作為較佳實施例，並詳述於下，熟悉該技藝者係能理解其用意，故不受限於此實施例。

請再參照第2圖所示，其係為本發明一較佳實施例，該氨製作方法係包含一前置步驟S1、一轉換步驟S2及一合成步驟S3。

該前置步驟S1係將空氣溶於水，以使混合有空氣之二相共存水溶液轉變為高溫高壓狀態。更詳言之，係藉由空氣中富含多種物質之特性，以將空氣溶於液態水，而生成混合有空氣的二相共存水溶液(如化學式一所示)。

Air_(g,T1)+H₂O_(l,T1) → Air_(aq,T1)；T1=298K,P=1atm [化學式一]

較佳者，係於常溫下，先對該二相共存水溶液進行加壓，當該二相共存水溶液之壓力值高於1大氣壓後，遂使該二相共存水溶液轉變為高壓態；且對高壓態之二相共存水溶液進行加熱，使高壓態之二相共存水溶液逐步加熱至高溫後，該二相共存水溶液係轉變為高溫高壓狀態(如化學式二所示)。

Air_(aq,T1,P1) → Air_(aq,T2,P2)；T1=298K,P1=1atm；T2=400K,P2=20atm [化學式二]

其中，如前所述之「常溫」約指298K者，係屬熟悉該項技藝者所能理解，於下述內容係以「常溫」作為基準，溫度高於該常溫者，本發明於下所述稱為「高溫」；如前所述之「常壓」約指1大氣壓(atm)者，係屬熟悉該項技藝者所能理解，於下述內容係以「常壓」作為基準，溫度高於該常壓者，本發明於下所述稱為「高壓」。

舉例而言，本實施例係將1大氣壓298K的空氣，溶於1大氣壓298K的液態水，以生成1大氣壓298K之二相共存水溶液；由一泵浦將該1大氣壓298K之二相共存水溶液增壓為20大氣壓330K之二相共存水溶液，再予以進行逐步加熱，以生成400K之二相共存水溶液。

該轉換步驟S2係包含一分離步驟S21、一再調控步驟S22及一電解步驟S23，透過所述三步驟S21、S22及S23，將該二相共存水溶液增溫增壓至臨界態，而獲得臨界態氮及超臨界態氫。

更詳言之，該分離步驟S21係再次對混合有空氣之二相共存水溶液進行加熱，使得該二相共存水溶液到達氣液分離之臨界態，以自該二相共存水溶液中分離岀氣態氮、氣態氧及液態水，該氣態氮及液態水均維持於高溫高壓狀態(如化學式三所示)，且氣態氧係能夠回收儲存，以待後續工業製程需要之用。

Air_(aq,T2,P2) → N_2(g,T2,P2)+O_2(g,T2,P2)+H₂O_(l,T2,P2)；T2=400K,P2=20atm[化學式三]

由該分離步驟S21產出高溫高壓氣態氮後，係將該高溫高壓氣態氮於該再調控步驟S22中進行再增溫增壓，以生成臨界態高壓氮(如化學式四所示)。

2N_2(g,T2,P2) → 2N_2(g,T3,P3)；T3=672K,P3=221atm [化學式四]

另一方面，該電解步驟S23係將高溫高壓液態水再次以先加壓後升溫之方式，提高該高溫高壓液態水的壓力及溫度值，使得該高溫高壓液態水到達臨界態後，即刻轉變為臨界水。此時，該臨界水分子中的氫鍵鍵結強度明顯低於一般常溫常壓下之水分子，甚至於低電流的電解作用下，即能快速達到該臨界水分子的電解能階，以便輕易分離該臨界水分子中的氫分子及氧分子，進而生成超臨界態氫及氧(如化學式五所示)。

2H₂O_(l,T2,P2) → 2H₂O_(l,T3,P3)；T3=672K,P3=221atm 2H₂O_(l,T3,P3) → 2H_2(g,T4,P4)+O_2(g,T4,P4)；T4=700K,P4=230atm[化學式五]

舉例而言，本實施例係將20大氣壓400K之二相共存水溶液再次升溫，以至該二相共存水溶液之溫度高達672K時且壓力高達221大氣壓，遂能自該二相共存水溶液中電解產岀超臨界態氣態氮、氣態氧與液態水。其中，該氣態氮之壓力值係為20大氣壓，且溫度值係為400K；該液態水之壓力值係為20大氣壓，且溫度值係為400K。接著，係以一泵浦將20大氣壓400K之氣態氮增溫增壓成221大氣壓672K之臨界態氮氣，以作為後續合成氨氣之其一原料。另一方面，係由一泵浦將20大氣壓400K之液態水壓縮為221大氣壓之液態水，並且繼續以逐步加熱之方式，使液態水升溫至672K而轉變為臨界水，再通入電流進行電解反應，以到達該臨界水的電解能階後，即可自該臨界水分離岀超臨界態氫及氧，且該氫及氧係維持於壓力值為230大氣壓，及溫度值為700K之超臨界狀態。其中，該超臨界態氫係用以作為後續合成氨氣的另一原料，而該超臨界態氧係能加以回收儲存，以作為其他工業製程所需之用。

該合成步驟S3係將該臨界態高壓氮與該超臨界態氫進行合成反應，以生成氣態氨(如化學式六所示)。更詳言之，本實施例係以221大氣壓672K之臨界態氮氣，與該230大氣壓700K之超臨界態氫反應，以於充分合成作用下，生成氣態氨氣。

2N_2(g,T3,P3)+3H_2(g,T4,P4) → 2NH_3(g,T5,P5)；T5=730K,P5=77atm[化學式六]

如上述，本發明之氨製作方法，係能於空氣溶於液態水後，透過液態分子間距離較氣態分子間距離緊密之特性，輕易予以加壓升溫，並於後續透過階段性的氣液分離，使該氣態氮能夠於該空氣中分離，且經增溫增壓而生成臨界態氮；同時，更可以經由再次加壓升溫之過程，使液態水快速轉變為臨界水，以降低水分子中的氫鍵鍵結強度，而輕易於電解作用下達到氫分子及氧分子的解離能階，快速自該臨界水中分離岀超臨界態氫及氧，藉此提升超臨界態氫的生成效率，以由該臨界態氮與超臨界態氫合成氨氣。如此，本發明之氨製作方法，係能利用臨界態達到提升液態水電解生成超臨界態氫之效率，且同時於短時間內增加該超臨界態氫的產出量，而能透過大量超臨界態氫與該臨界態氮反應，以相對達到提升氨氣生成效率及產量之功效。

請參照第3圖所示，其係為一用以製備氨之裝置，該氨製備裝置係為本發明的一較佳實施例，以作為進一步詳述本發明氨製作方法之用。

該氨製備裝置係包含一混合單元1、一轉換單元2、及一合成單元3。於各該單元之間係分別以不同之管路連通，以構成該氨製備裝置之連續通路，詳述如下。

該混合單元1係用以供反應物料進行混合，以確保該反應物料能以液體狀態流入後續管路。本實施例較佳係選擇以冷卻吸收塔作為混合單元1，藉此確保進入該混合單元1內的空氣，能完全溶於液態水，以節省後續加壓加溫時所需耗費的能量。

該轉換單元2係以一管路T1連通該混合單元1，且該轉換單元2與混合單元1之間係設有至少一第一加壓件P及至少一第一升溫件H，該轉換單元2係用以供臨界氣體產出。該第一加壓件P係用以壓縮自該混合單元1流經該管路T1之二相共存水溶液，該第一升溫件H係透過該管路T1連接該第一加壓件P，以加熱自該混合單元流經該管路T1之二相共存水溶液，使得該二向共存水溶液轉為高溫高壓狀態，甚至幾近臨界態而進入該轉換單元2。

該轉換單元2係包含一分離器21及一電解器22，該分離器21係透過該管路T1連通該混合單元1，用以承裝流經該管路T1之二相共存水溶液，而分離輸出氣態氮、氣態氧及液態水；且該分離器21係以一第一分支管路T21連通該合成單元3，用以供自該分離器21產生之氣態氮流通；該電解器22與該分離器21之間設有相互連通的一第二分支管路T22，以將流通於該第二分支管路T22之液態水導入該電解器22，由該電解器22解離出該臨界水中的氫分子及氧分子，以便將該超臨界態氫及氧各別排出；且，該電解器22與該合成單元3之間設有相互連通的一進氣管路T23，用以供自該電解器22產生之氣態氫流通。其中，該二相共存水溶液係由空氣溶於水所生成，且該第一加壓件P較佳係選擇為一泵浦。

該合成單元3係以另一管路連通該轉換單元2，用以供臨界態氣體流入，且該合成單元3另連接一排氣管路T3，用以排出該合成單元內的一合成氣體。更詳言之，本實施例之合成單元3係共同連通該第一分支管路T21及進氣管路T23，用以接受流通於該第一分支管路T21之臨界態氮，以及流通於該進氣管路T23之超臨界態氫，而於該合成單元3進行臨界態氮與超臨界態氫之合成，藉此產出氨氣氣體，並由該排氣管路T3排出該氨氣氣體，以作為工業製程之物料來源。

為了因應本發明較佳實施例之多段式增溫增壓方式，請參照第4圖所示，本實施例之第一分支管路T21係個別連接一第二加壓件P1及一第二升溫件H1，且第二分支管路T22係個別連接一第三加壓件P2及一第三升溫件H2。

如此，該管路T1所連接之第一加壓件P及第一升溫件H，僅需使自該混合單元1流經該管路T1之常溫常壓二相共存水溶液，轉變為高溫高壓狀態，以便使該二相共存水溶液攜帶高熱能進入該分離器21即可。此時，該分離器21係用以承裝高溫高壓的二相共存水溶液，且該分離器21另設有一輔助加熱件211，該輔助加熱件211則進一步供給高溫高壓二相共存水溶液更高熱能，以確保該高溫高壓的二相共存水溶液，能於該分離器21達到氣液分離之溫度，藉此自該分離器21輸出氣態氮、氣態氧及液態水。其中，該分離器21的細部結構設計及氣液分離原理，係屬熟悉該項技藝者所能理解，故於此不再詳加贅述。

再且，本實施例較佳係透過該分離器21上方的一氣體收集器(未繪示)，吸附產自該分離器21之氣態氮後，由該第一分支管路T21將該氣態氮導出，且該第一分支管路T21所連接之第二加壓件P1係用以壓縮自該分離器21流經該第一分支管路T21之氣態氮，以便壓縮該氣態氮到達臨界壓力值，該第二加壓件P1較佳係選擇為一泵浦，該泵浦僅用以提高氣態氮之壓力；該第一分支管路T21所連接之第二升溫件H1係用以加熱該氣態氮到達臨界溫度值，以便使該氣態氮轉變為高溫高壓臨界態，而由該第一分支管路T21導出至該合成單元3。本實施例之分離器21另連接有一儲氣管路T24，以由該儲氣管路T24輸出該分離器21內之氣態氧，以進行氣態氧之儲存。

另外，本實施例之電解器22係以該第二分支管路T22連通該分離器21，且該電解器22所連接之第三加壓件P2係用以壓縮自該分離器21流經該第二分支管路T22之液態水，以便使該液態水到達臨界壓力值，且該第三加壓件P2較佳係選擇為一泵浦，該泵浦僅用以提高液態水之壓力，而使液態水維持原有之溫度；該電解器22所連接之第三升溫件H2係用以加熱該液態水到達臨界溫度值，以便使該液態水轉變為臨界水而流入該電解器22。此時，該電解器22係以另一電流供應件221供給適當之電流，以達到該臨界水的電解能階後，藉此由該電解器22解離出該臨界水中的氫分子及氧分子，以便將該超臨界態氫及氧各別排出。其中，該電解器22的細部結構設計及電解原理，係屬熟悉該項技藝者所能理解，故於此不再詳加贅述。

此外，該電解器22還可以以一輸氣管路T25連通一儲存槽4，藉此透過該輸氣管路T25輸送自該電解器22產出之超臨界態氧，使得該超臨界態氧能儲存於該儲存槽4，且該儲存槽4另與該儲氣管路T24相連通，以將流通於該儲氣管路T24內之氣態氧進行儲存，以供其他工業製程所需之用。甚至，於該電解器22與儲存槽4之間更可以連接有數排熱件(未繪示)，藉由該排熱件達到節能之功效。

於此，本發明氨製備裝置，係能以簡易的設備連通設計，操作本發明氨製作之方法，以達到如上所述提升液態水電解生成超臨界態氫之效率，且同時於短時間內增加該超臨界態氫的產出量，而能透過超臨界態氫大量與該臨界態氮反應，以相對達到提升氨氣生成效率及產量之功效。甚至，本發明氨製備裝置更可以降低製程能源的耗損，且將不需反應之超臨界態氧加以回收儲存，進一步達成節省能源及能源再利用之功效。

本發明之氨製作方法，係能夠以較低耗能自臨界態液態水電解產出氣態氫分子，以達到有效提升液態水電解效率之功效。

本發明氨製作方法，係能夠提高氣態氫分子的產量，以達到有效提升氨氣生產效率之功效。

本發明之氨製備裝置，係能夠降低氨氣製作過程所需耗費的能源，以達到有效節省能源之功效。

本發明之氨製備裝置，係能夠將臨界態液態水電解產出的氣態氧分子回收儲存，以達到能源再利用之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

S1‧‧‧前置步驟

S2‧‧‧轉換步驟

S21‧‧‧分離步驟

S22‧‧‧再調控步驟

S23‧‧‧電解步驟

S3‧‧‧合成步驟

1‧‧‧混合單元

2‧‧‧轉換單元

21‧‧‧分離器

211‧‧‧輔助加熱件

22‧‧‧電解器

221‧‧‧電流供應件

3‧‧‧合成單元

4‧‧‧儲存槽

T1‧‧‧管路

T21‧‧‧第一分支管路

T22‧‧‧第二分支管路

T23‧‧‧進氣管路

T24‧‧‧儲氣管路

T25‧‧‧輸氣管路

T3‧‧‧排氣管路

P‧‧‧第一加壓件

P1‧‧‧第二加壓件

P2‧‧‧第三加壓件

H‧‧‧第一升溫件

H1‧‧‧第二升溫件

H2‧‧‧第三升溫件

第1圖：本發明氨製作方法之流程示意圖。

第2圖：本發明氨製作方法之又一流程示意圖。

第3圖：本發明氨製備裝置之裝置示意圖。

第4圖：本發明氨製備裝置之又一裝置示意圖。