氨合成方法技术

本发明专利技术提供一种高效率地合成氨的方法。本发明专利技术的合成氨的方法包括：（ａ）分解水得到含有氢和氧的第１原料气体的水分解工序（１０１）；（ｂ）采用氧分离膜或氢分离膜至少部分地分离和除去在第１原料气体中含有的氧，得到氧浓度比第１原料气体低的第２原料气体的第１氧除去工序（１０２）；（ｃ）使第２原料气体中的氧与氢反应从而以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到氧浓度比第２原料气体低的第３原料气体的第２氧除去工序（１０３）；以及（ｄ）使第３原料气体中的氢与氮反应从而合成氨的氨合成工序（１０４）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及利用氢和氮的反应来合成氨的。
技术介绍
氨的化学合成在约100年前由德国的研究者哈伯和博施首次成功地大量生产。哈伯-博施(Haber-Bosch)合成法是下述的式(1)所示的反应，由于简便并且效率比较高，所以现在也基本上没有改变地被使用N2+3H2 — 3NHS (约 400 °C ) (1)关于哈伯-博施合成法的改良，例如在专利文献1中曾提出了将催化剂层分割为 3层，在被分割的各个催化剂层之间对反应气体进行热交换来进行中间冷却，由此均衡地提高氨的收率。以往，来自氢和氮的氨的合成利用铁催化剂来进行，但最近提出了利用含有钌的催化剂进一步降低反应温度，由此均衡地提高氨的收率。用于氨合成的氢，以往使用以甲烷(CH4)为主成分的天然气得到。在此，由于二氧化碳的温室化系数设为1时的甲烷的温室化系数为23，所以在以甲烷为主成分的天然气的采用和使用期间天然气漏出的情况下，对地球温室化给予不好的影响。此外，天然气这样的化石燃料的枯竭趋向现实。另外还有，天然气的使用实质上伴随作为燃烧气体的二氧化碳的排放，这对地球温室化给予不好的影响。因此，曾提出了通过水的电分解来得到用于氨的合成的氢。在专利文献2中曾记载了 关于用于来自氢和氮的氨合成的含钌催化剂的使用和通过水的电解进行的氨合成用氢的生成，含钌催化剂因水、一氧化碳、氧等而中毒，并且为了防止这样的含钌催化剂的中毒而精制在氨合成中作为原料使用的氢和氮。具体地讲，在该专利文献2中，含钌催化剂因Ippm以上的微量氧、30ppm以上的微量水分以及微量的一氧化碳而中毒。具体地讲，在专利文献2中，为了成为氨合成的原料的氢和氮的精制、特别是从氢和氮除去氧，曾提出了使氢和氮的混合气体在填充了氧化催化剂的微量氧除去用氧化反应器(催化剂筒)中流通，在此使氢和氧反应从而形成为水并除去。另外，在专利文献3中，为了得到在发光二极管(LED)的制造工序中使用的高纯度的氨，曾提出了通过水的电解得到氢，使该氢通到金属氧化物的吸附介质床，来除去h20、 CO, CO2, O2和烃之类的杂质。现有技术文献专利文献1 日本特开2001-240412号专利文献2 日本特开2003-267725号专利文献3 日本特表2006-5^128号
技术实现思路
如上述记载那样，为了防止氨合成催化剂的中毒、特别是含钌催化剂的中毒，曾提出了从作为用于氨合成的原料的氢和氮除去氧。另外，为了该氧的除去，曾提出了使用氧化催化剂使氢和氧反应而生成水，由金属氧化物的吸附介质床吸附氧等。但是，在使氢和氧反应来除去氧的情况下，如果应该除去的氧的量多，则氧除去阶段的氢的消耗量变多，因此存在的效率降低这样的问题。另外，在由吸附介质床吸附来除去氧的情况下，如果应该除去的氧的量多，则有在氧除去阶段必须使用大量的吸附介质这样的问题。另外，为了防止最终得到的氨因与氧的反应而消耗，优选从用于氨合成的原料气体除去氧。另外，如上述记载那样，在使用天然气得到用于氨的合成的氢的情况下，存在因甲烷和/或二氧化碳向大气中排放，对地球温室化给予不好的影响这样的问题。本专利技术提供解决上述的问题并高效地合成氨的方法。<1> 一种，包括(a)分解水得到含有氢和氧的第1原料气体的水分解工序；(b)采用氧分离膜或氢分离膜，至少部分地分离和除去第1原料气体中所含有的氧，得到与第1原料气体相比氧浓度低的第2原料气体的第1氧除去工序；(c)使第2原料气体中的氧与氢反应从而以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到与第2原料气体相比氧浓度低的第3原料气体的第2氧除去工序；以及(d)使第3原料气体中的氢与氮反应来合成氨的氨合成工序。<2>根据上述<1>项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用直接热分解法、热化学分解法或光催化剂分解法分解水，得到第1原料气体。<3>根据上述<2>项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用利用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者利用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体。<4>根据上述<3>项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用利用氧化状态不同的氧化铁之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体。<5>根据上述<1> <4>项的任一项所述的方法，在水分解工序(a)和/或氨合成工序(d)中，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。<6>根据上述<5>项所述的方法，在太阳光聚光装置的聚光部实施水分解工序(a) 和/或氨合成工序(d)，从太阳热能得到需要的热能的至少一部分。<7>根据上述<1> <6>项的任一项所述的方法，在水分解工序(a)中，采用利用金属和金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法、或者利用氧化状态不同的金属氧化物之间的氧化还原反应的热化学分解法来分解水，得到第1原料气体，在水分解和再生装置中进行水分解工序(a)，所述水分解和再生装置具有多个保持着在热分解法中使用的金属和/或金属氧化物的水分解部，在多个水分解部之中的至少一个中进行水分解工序(a)的期间，在多个水分解部之中的其他的至少一个中将使用过的水分解部再生，并且，将被再生了的水分解部在水分解工序(a)中再利用。根据本专利技术的，为了从含有分解水而得到的氢和氧的原料气体除去氧，采用利用氧分离膜或氢分离膜进行的氧的分离，以及利用氧和氢的反应进行的水的生成或利用吸附介质进行的氢的吸附，在使用水作为氢源的情况下也能够高效地合成氨。 特别是将水通过直接热分解或热化学分解来分解以得到含有氢和氧的原料气体的情况下，所得到的原料气体一般含有氧，在该情况下，采用本专利技术的可得到显著的效果。附图说明图1是表示在本专利技术的中使用的氨合成装置的例子的图。图2是表示在本专利技术的中使用的水分解和再生装置的例子的图。图3是用于说明图2的水分解和再生装置的图。图4是表示在本专利技术的中使用的水分解和再生装置的另一例的图。图5是表示实施例1的的图。图6是表示实施例2的的图。图7是表示实施例3的的图。图8是表示实施例4的的图。图9是表示实施例5的的图。图10是表示实施例6的的图。附图标记说明1、101. · ·水分解部2、2’、102··.氧分离膜(氢分离膜)保持部3、103...氧化催化剂保持部4、104...氨合成部5、105···氨回收部100...本专利技术的氨合成装置150...抛物线槽型的聚光装置A. 含有氢和氧的第1原料气体B..与第1原料气体相比氧浓度低的第2原料气体C. 废弃气流D..与第2原料气体相比氧浓度低的第3原料气体E. 氮气气流F..供给物气流G. 含有氨的气流H. 再循环气流I. 氨水流J. 液体水具体实施例方式本专利技术的至少包括水分解工序(a)、第1氧除去工序(b)、第2氧除去工序(c)和氨合成工序(d)。以下详细地说明这些工序(a) (d)。5<水分解工序(a) >本专利技术的包括水分解工序(a)，在此，分解水而得到含有氢和氧的第1 原料气体。在该工序中需要热能的情况下，可以使用任意的热能源，特别是可以使用原子能热能或太阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种氨合成方法，包括：（ａ）水分解工序，该工序分解水得到含有氢和氧的第１原料气体；（ｂ）第１氧除去工序，该工序采用氧分离膜或氢分离膜至少部分地分离和除去在所述第１原料气体中含有的氧，得到氧浓度比所述第１原料气体低的第２原料气体；（ｃ）第２氧除去工序，该工序使所述第２原料气体中的氧与氢反应从而以水的形式除去，或者使其吸附于吸附介质而除去，得到氧浓度比所述第２原料气体低的第３原料气体；以及（ｄ）氨合成工序，该工序使所述第３原料气体中的氢与氮反应从而合成氨。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：中村德彦，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP