生产氨的改进方法技术

本发明专利技术提供了可在温度和压力中至少一项分别低于执行哈伯氏固氮法所需的温度和压力条件下生产氨的系统和方法。在某些实施方案中，可将超临界流体用作反应介质。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及进行化学加工和生产的系统和方法，具体而言涉及 使用金属氮化物生产氨及其衍生物的系统和方法。
技术介绍
哈伯氏固氮法(Haber法，也称作Haber-Bosch法和Fritz Haber法) 是氮气和氢气反应生产氨。氮气(N2)和氢气(H2)气体通常在铁催化剂(Fe3, 存在下反应。反应在0大气压(巴)和温度4S0-S00。C的条件下进行；根据 方程式l的描述的反应，产生收率为10-20%的NH3。<formula>formula see original document page 4</formula>该反应是可逆的，即该反应可正向或逆向进4于，这取决于条件。才艮据 勒沙特列原理(LeChatelier's Principle),正向反应是放热的，即产生热量， 低温对其有利。升高温度倾向于促^^应逆向进行，如果目的是生产氨， 则逆向反应是不希望的。然而，降低温度会降^L^应速率，这也是不希望 的。因此，需要足够高的中间温度，既能允许反应以合理速率进行，又不 至于高到佳反应逆向进行。通常使用450°C。因为每2摩尔的产物对应4摩尔的反应物，所以高压对正向反应有禾'J， 这意味着平衡的位置将向右移动而产生更多的氨。那么，在压力方面唯一 的妥协就是在经济情况允许的条件下尽可能地提高压力。通常使用大约200巴的压力。催化剂对平衡位置没有影响，而是改变了反应路径，降低了体系的活 化能，因此提高了反应速率。这就使得该方法可在更低温度下操作，如前 所述，这对正向反应有利。此外，通过考虑反应平衡常数的温度依赖性，详见下表l,表l<table>table see original document page 5</column></row><table>氨以气态形成，但在冷凝器中在所用高压下冷却时液化，因此以液态 取出。未反应的氮气和氢气则被供回到反应中。专利技术概述一方面，本专利技术涉及一种在超临界反应介质中生产氨的方法。该方法包括如下步骤提供反应室，其设计成在足以支持超临界流体存在于其中 的温度和压力下操作；提供反应介质，当保持在临界温度和临界压力以上 时，其形成超临界流体；提供氢气源，氬气以其提供的形式可溶于超临界 流体中；提供氮气源，氮气以其提供的形式可溶于超临界流体中；使存在 于超临界流体中的氢气和氮气反应形成氨；并且从反应室中回收生成的氨。 该方法允许在具有分别低于进行哈伯氏固氮法所需的压力和温度的温度和 压力至少一项的条件下产生氨。在一个实施方案中，在超临界反应介质中生产氨的方法进一步包括提 供含有金属氮化物的催化剂的步骤。在一个实施方案中，所述催化剂含有 选自由锂、铁、钴、镍、钛和钒组成的组的金属。在一个实施方案中，提 供含有金属氮化物的催化剂的步骤包括提供其中含有具有多种金属元素的混合金属氮化物的催化剂。在一个实施方案中，超临界流体包括氨。在一个实施方案中，超临界流体包括二氧化碳。在一个实施方案中，超临界流体包括水。在一个实施方案中，超临界流体包括乙烷。在一个实施方案中，超临界流体包括丙烷。在一个实施方案中，超临界流体包括六氟化硫。本专利技术的前述和其他目的、方面、特征及优势将由以下说明和权利要求更加明显。附图简要说明参照下述附图和权利要求，能更好的理解本专利技术的目的和特征。附图并非必需按比例绘制，重点通常在于说明本专利技术的原理。在附图中，相同的数字用于标注遍及各视图的相同部分。图l是说明C02材料的气态、液态和固态三相的压力-温度关系的图，包括压力和温度的临界点，在此以上，液态和气态融为超临界状态。图2是说明能够使得本专利技术的各方面在其中实施的化学反应器的特征的示意图。专利技术详述正如附图说明图1一C02相图中所示，材料在其临界压力和临界温度以上时呈超临界流体(SCF)。在这种状态下，材料进入新相，通常与气态和液态有关的特性也混在一起。因此这种流体可以用作溶剂，同时保留了其与诸如氩气的永久气体的完全溶混性。与如前所述的常规的固-气或固-溶液方式相比，超临界流体的传质和传热特性提供了明显的优势，这些优势已经在超过十年的时间里得到承认。实际上，使用超临界流体进行有机加氬反应已经多年，并取得了引人注目的成功。诸如H2和N2的永久气体与超临界流体的完全溶混性意味着这些气体可在所述介质中达到非常高的浓度。而且，超临界流体的低表面张力允许多孔固体或高表面积有效渗透；例如上文中提到的铁催化剂。此外，超临界流体的高传质和传热特性也有利于非均相反应或催化作用。由H2和N2制备NH3的优选超临界流体介质是氨本身。其临界温度(Tc) 为132 。C，临界压力(pj为113巴。在这些值以上的温度和压力下，NH3 进入其超临界相。在保持在必须的温度和压力时，超临界流体通常极具对 流性。因此，预期，可以使得含有固体部分的过渡金属或其他催化物质的 催化剂易于得到超临界流体和一种或多种溶解在其中的气体的混合物，即 使催化剂被置于化学反应器的一侧，例如，在可通过有阀的管与化学反应 器的主要部分连接或断开的侧室中。用这种方式，通过简单地打开阀的方 式使得超临界流体循环经过固体催化剂，可使装有溶解了一种或多种反应 气体的超临界流体的化学反应器有选择地暴露于固体催化剂中，并且通过 简单地关闭阀的方式可使其有选择性地与固体催化剂分离，从而切断化学 反应器主要部分和侧室的连通。这有利于，在特定时间操作化学反应器生 成产物，例如额外的氨，在其他时间防止反应进一步发生，并打开化学反 应器移走部分或全部的氨产物。图2是说明这种化学反应器200的特征的示意图，反应器200包括化 学反应器的主要部分205，可以容纳催化剂的侧室210，连接化学反应器主 要部分205与侧室210的管215，和打开时允许管215连通，关闭时切断 管路215的连通的阀220。熟知的元件，例如加热器、加热控制器、温度 测量元件如热电偶和高温计、压力阀、压力控制器和压力测量元件如传感 器或量表都可以添加在用以进行上述化学反应的化学反应器中，为了简单 起见上述元件都没有在图2中示出。在许多现代系统中，可以通过使用通 用计算机来提供设计用于操作反应器200的控制体系，所述计算机通过包 括指令的软件程序控制，或通过市售设备界面软件包程序控制，例如Lab ViewTM ， 来自 National Instruments Corporation,, 11500 N Mopac Expressway, Austin, TX 78759-3504。基于可程序控制的通用计算机的控制 体系可由对基于计算机的体系基本了解，并且了解化学体系和正在操作的 反应的的性质和行为的人员来操作。合适这种体系的操作者可以是高中毕 业并拥有操作通用计算机经验和遵循指示的能力的人员，也可是具有技术学科，例如化学、化学工程或材料加工的一个或多个研究生学位的人员。 第一实施方案本专利技术涉及使用金属氮化物对由氢气和氮气制备氨进行催化。目前人们对作为储氢材料的一氮化三锂，Li3N，具有广泛的兴趣。这是因为根据 方程式2描述的反应， 一氮化三锂与氢气在250 。C可逆反应。Langmi，H.; McGrady， G. S, Coord. Ch本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在超临界反应介质中生产氨的方法，包括如下步骤：　提供反应室，其设计成在足以支持超临界流体存在于其中的温度和压力下操作；　提供反应介质，在保持在临界温度和临界压力以上时，其形成超临界流体；　提供氢气源，氢气以其提供的形式 可溶于超临界流体中；　提供氮气源，氮气以其提供的形式可溶于超临界流体中；　使存在于超临界流体中的氢气和氮气反应形成氨；以及　从反应室中回收生成的氨；　从而在具有分别低于进行哈伯氏固氮法所需的温度和压力的温度和压力的至 少一项的条件下产生氨。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-6-12 60/943,4431.一种在超临界反应介质中生产氨的方法，包括如下步骤提供反应室，其设计成在足以支持超临界流体存在于其中的温度和压力下操作；提供反应介质，在保持在临界温度和临界压力以上时，其形成超临界流体；提供氢气源，氢气以其提供的形式可溶于超临界流体中；提供氮气源，氮气以其提供的形式可溶于超临界流体中；使存在于超临界流体中的氢气和氮气反应形成氨；以及从反应室中回收生成的氨；从而在具有分别低于进行哈伯氏固氮法所需的温度和压力的温度和压力的至少一项的条件下产生氨。2. 如权利要求l所述的在超临界反应介质中生产氨的方法，进一步包 括提供含有金属氮化物的催化剂的步骤。3. 如权利要求2所述的在超临界反应介质中生产氨的方法，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：GS麦格雷迪，C威尔森，
申请(专利权)人：HSM系统公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]