一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置和方法，属于合成氨技术领域。在本发明专利技术中，所述催化剂在合成氨反应器2中表面和亚表面会形成丰富的氮氢物种，同时产出氨气，该过程是热力学过程，只能产出低浓度氨气。携带氮氢物种的催化剂进入二氧化碳反应器1中后，将会被部分氧化并脱除表面氮氢物种产出氨气与二氧化碳加氢产物。此时产出氨气的浓度不受合成氨热力学平衡限制，可以在常压下产出高浓度氨气，大大降低合成氨工业因高压操作带来的高成本。此外，催化剂可以同时将二氧化碳加氢为多种碳基能源载体，减少合成氨工业的碳排放。碳排放。碳排放。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置和方法


[0001]本专利技术涉及合成氨
，尤其涉及一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置和方法。

技术介绍

[0002]氮的还原态，特别是氨(NH3)，是作物肥料的主要原料，与人类的生存息息相关。上世纪90年代初，德国化学家Haber成功将N2和H2直接转化为NH3，而后德国化学家Bosch改良了这一方法并于1913年首次进行了工业级的NH3生产。Haber
‑
Bosch法合成氨彻底改变了肥料的制备方式，粮食产量大幅提升，彻底解决了当时因粮食短缺导致的饥饿、贫困等问题。Haber和Bosch也因此分别获得了1918年和1931年的诺贝尔奖。Haber
‑
Bosch法专利技术近100年后，德国化学家Gerhard Ertl再次因阐明了合成氨催化的表面化学机理而获得了2007年的诺贝尔化学奖。然而，合成氨过去100多年的发展，几乎停滞不前，仍未突破高温高压的反应条件(15～30MPa)。此外，为了供应每年约500Mt的含氮肥料，每年要消耗全球能源的1～2％，并因此产生大量的碳排放。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置和方法，本专利技术可以大大降低合成氨的反应的操作压力，从而降低工艺成本。此外，本专利技术可以在产出氨气的同时将二氧化碳催化转化为含碳燃料。
[0004]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置，包括二氧化碳加氢反应器1、合成氨反应器2和催化剂转移管；所述催化剂转移管包括第一催化剂转移管3
‑
1和第二催化剂转移管3
‑
2；
[0006]所述二氧化碳加氢反应器1与所述合成氨反应器2经由催化剂转移管联通。
[0007]本专利技术提供了一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨方法，利用上述方案所述的装置合成氨气，包括以下步骤：
[0008]将催化剂依次循环转移经过第一催化剂转移管3
‑
1、合成氨反应器2、第二催化剂转移管3
‑
2和二氧化碳加氢反应器1；
[0009]同时将二氧化碳与氢气持续通入二氧化碳加氢反应器1进行二氧化碳加氢反应，得到高浓度氨气和含碳燃料；将氮气与氢气持续通入合成氨反应器2进行合成氨反应，得到低浓度氨气；
[0010]所述二氧化碳加氢反应和合成氨反应的温度独立地为300～1000℃，绝对压力独立地为100～8000kPa；
[0011]所述催化剂含有氮化物。
[0012]优选的，所述催化剂为金属氮化物、非金属氮化物、金属氮化物负载金属纳米颗粒和其他包含氮化物的复合催化剂中的一种或多种。
[0013]优选的，所述金属氮化物包括氮化钼、氮化钨、氮化钽、氮化镧、氮化钴钼双金属氮化物、镍钼双金属氮化物和铁钼双金属氮化物中的一种或多种。
[0014]优选的，所述非金属氮化物包括氮化硼、氮化碳和氮化硅中的一种或多种。
[0015]优选的，所述金属氮化物负载金属纳米颗粒中的金属纳米颗粒为钯、铂、金、镍、钴、铁、钌和铑中的一种或多种。
[0016]优选的，所述其他包含氮化物的复合催化剂为氧化物与氮化物的复合催化剂；所述氧化物包括氧化硅、氧化钛、氧化镁、氧化铝或氧化锆。
[0017]优选的，所述二氧化碳加氢反应的空速为1～40000L
·
g
‑1·
h
‑1，所述二氧化碳和氢气的体积流量比为1:1～20。
[0018]优选的，所述合成氨的空速为1000～400000mL
·
g
‑1·
h
‑1，所述氮气和氢气的体积流量比为1:1～20。
[0019]优选的，所述催化剂的粒径为0.01～30mm。
[0020]本专利技术提供了一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置，包括二氧化碳加氢反应器1、合成氨反应器2和催化剂转移管；所述催化剂转移管包括第一催化剂转移管3
‑
1和第二催化剂转移管3
‑
2；所述二氧化碳加氢反应器1与所述合成氨反应器2经由催化剂转移管联通。
[0021]在本专利技术中，所述催化剂在合成氨反应器2中表面和亚表面会形成丰富的氮氢物种，同时产出氨气，该过程是热力学过程，只能产出低浓度氨气。
[0022]携带氮氢物种的催化剂进入二氧化碳反应器1中后，将会被部分氧化并脱除表面氮氢物种产出氨气与二氧化碳加氢产物。此时产出氨气的浓度不受合成氨热力学平衡限制，可以在常压下产出高浓度氨气，大大降低合成氨工业因高压操作带来的高成本。此外，催化剂可以同时将二氧化碳加氢为多种碳基能源载体，减少合成氨工业的碳排放。
[0023]失去氮氢物种的氮化物催化剂会被送入合成氨反应器中重新补充氮氢物种。如此往复。
附图说明
[0024]图1为本专利技术耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置的结构示意图；其中，1
‑
二氧化碳加氢反应器，2
‑
合成氨反应器，3
‑1‑
第一催化剂转移管，3
‑2‑
第二催化剂转移管；
[0025]图2为本专利技术实施例1循环反应12小时各反应器的产物浓度；
[0026]图3为实施例1的催化剂在不同状态下的XPS图谱。
具体实施方式
[0027]如图1所示，本专利技术提供了一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置，包括二氧化碳加氢反应器1、合成氨反应器2和催化剂转移管；所述催化剂转移管包括第一催化剂转移管3
‑
1和第二催化剂转移管3
‑
2；
[0028]所述二氧化碳加氢反应器1与所述合成氨反应器2经由催化剂转移管联通。
[0029]作为本专利技术的一个实施例，所述二氧化碳加氢反应器1的底部设有进气口，用于通入二氧化碳和氢气；所述二氧化碳加氢反应器1的顶部设有出气口，用于排出生成的含碳燃料和高浓度氨气。在本专利技术中，所述二氧化碳加氢反应器1的作用是氧化携带氮氢物种的催
化剂，生成含碳燃料和高浓度氨气。
[0030]作为本专利技术的一个实施例，所述合成氨反应器2的底部设有进气口，用于通入氮气和氢气；所述合成氨反应器2的顶部设有出气口，用于排出生成的低浓度氨气。在本专利技术中，所述合成氨反应器2的主要作用在于为催化剂补充氮氢物种。
[0031]在本专利技术中，所述催化剂转移管的作用在于转移催化剂，使催化剂实现在二氧化碳加氢反应器1和合成氨反应器2之间的循环。
[0032]本专利技术对二氧化碳加氢反应器1、合成氨反应器2和催化剂转移管的形状和尺寸没有特殊要求，能够实现上述功能即可。
[0033]本专利技术提供了一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨方法，利用上述方案所述的装置合成氨气，包括以下步骤：
[0034]将催化剂依本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨装置，包括二氧化碳加氢反应器(1)、合成氨反应器(2)和催化剂转移管；所述催化剂转移管包括第一催化剂转移管(3
‑
1)和第二催化剂转移管(3
‑
2)；所述二氧化碳加氢反应器(1)与所述合成氨反应器(2)经由催化剂转移管联通。2.一种耦合二氧化碳加氢过程的化学链合成氨方法，其特征在于，利用权利要求1所述的装置合成氨气，包括以下步骤：将催化剂依次循环转移经过第一催化剂转移管(3
‑
1)、合成氨反应器(2)、第二催化剂转移管(3
‑
2)和二氧化碳加氢反应器(1)；同时将二氧化碳与氢气持续通入二氧化碳加氢反应器(1)进行二氧化碳加氢反应，得到高浓度氨气和含碳燃料；将氮气与氢气持续通入合成氨反应器(2)进行合成氨反应，得到低浓度氨气；所述二氧化碳加氢反应和合成氨反应的温度独立地为300～1000℃，绝对压力独立地为100～8000kPa；所述催化剂含有氮化物。3.根据权利要求2所述的化学链合成氨方法，其特征在于，所述催化剂为金属氮化物、非金属氮化物、金属氮化物负载金属纳米颗粒和其他包含氮化物的复合催化剂中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的化学链合成氨方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜彬航，冯凯，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：