Российским ученым удалось оптимизировать сложный процесс синтеза аммиака
Москва, 13 дек - ИА Neftegaz.RU. Российские ученые из РХТУ, НГТУ и ННГУ предложили способ оптимизации синтеза аммиака - одного самых многотоннажных химических производств.
Об этом сообщила пресс-служба РХТУ им. Менделеева.
Процесс синтеза аммиака почти не изменился с начала XX века.
В ходе процесса расходуются огромные объемы электричества, а один из самых энергозатратных его этапов - это выделение аммиака из реакционной смеси.
Сегодня в мире производят почти 200 тонн аммиака в год, из него получают азотные удобрения, различные пластики, взрывчатые вещества и т.д.
Российские ученые из РХТУ, НГТУ и ННГУ предложили проводить реакцию с помощью гибридной технологии, сочетающей возможности мембранной очистки и современных абсорбентов.
Выяснилось, что так можно получать аммиак чистотой до 99%, затрачивая гораздо меньше энергии.
Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.
Исследование поддержал Российский научный фонд.
Атмосфера Земли почти на 80 % состоит из молекулярного азота N2, в такой форме он практически не усваивается организмами.
Поэтому сегодня производится множество удобрений, которые содержат азот уже в связанной форме - в виде разных химических соединений азота с другими атомами, из которых организмам уже гораздо проще взять азот для своих нужд.
Большинство азотных удобрений получают из аммиака (NH3), который к тому же используют для синтеза различных охлаждающих агентов (рефрежирантов), пластиков, полимеров, взрывчатых веществ и даже в микроэлектронике.
В мире каждый год производят примерно 25 кг аммиака на каждого жителя планеты.
Это самое крупнотоннажное химическое производство.
Практически всегда аммиак получают в процессе Габера-Боша, который был предложен еще в начале XX века.
Один из разработчиков метода даже получил Нобелевскую премию за это открытие.
В ходе процесса водород (H2) и азот (N2) пропускают при высоком давлении через катализатор и на выходе получается газообразная смесь исходных реагентов и аммиака, из которой потом нужно выделить чистый NH3.
Сейчас для этого смесь охлаждают с помощью большого количества хладагентов.
Из-за этого процесс очистки потребляет очень много энергии - более 3 МВт-ч на каждую тонну аммиака, это средний расход электричества в квартире примерно за 2 года.
Исследователи из РХТУ им. Д.И. Менделеева, а также нижегородских вузов НГТУ им. Р.Е. Алексеева и ННГУ им. Н.И. Лобачевского ранее уже предлагали использовать для этого гибридный способ очистки газов, в котором сочетаются технические возможности мембран и абсорбентов.
Теперь ученые опубликовали результаты исследований, в рамках которых с применением абсорбентов получили аммиак с чистотой, сопоставимой с промышленной.
Гибридная технология очистки газов разработана российскими учеными и протекает в аппарате их собственной конструкции.
Он разделен мембраной на 2 части - в верхнюю поступает смесь газов (в данном случае NH3, N2, H2), которая пропускается через абсорбент, нанесенный на мембрану.
Он накапливает большие количества аммиака и наоборот почти не абсорбирует азот и водород, которые выходят обратно из абсорбента в ту же самую полость над мембраной.
Молекулы NH3 при этом выводятся из абсорбента через мембрану в другую часть аппарата: между полостями над и под мембраной создают большой перепад давления, под действием которого аммиак диффундирует через мембрану в нижнюю часть аппарата, из которой уже отводят поток очищенного газа.
В качестве абсорбента ученые использовали 4 разных вещества, которые выглядели перспективными для очистки аммиака.
Все они являлись глубокими эвтектическими растворителями (ГЭР) - так называют смесь двух веществ, температура плавления которой ниже температуры плавления отдельных компонентов.
ГЭР получают из доступных реагентов с помощью простого синтеза, а поскольку они остаются жидкими в широком диапазоне температур сейчас их считают перспективными классом зеленых растворителей.
Исследователи работали с 3мя уже испытанными ГЭР на основе тиоцианата аммония, которые способны абсорбировать большие количества аммиака, и одним уникальным составом на основе метансульфоната 1-бутил-3-метилимидазолия, который был перспективен уже по данным предварительных экспериментов самих российских ученых.
Исходная газообразная трёхкомпонентная смесь состояла из NH3, N2, H2 в объёмных отношениях 15.5/62.8/21.7.
Лучший результат показал абсорбент на основе ГЭР из тиоцианата аммония смешанного с глицеролом: с ним чистота аммиака на выходе составляла почти 99%.
После повышения скорости подачи газовой смеси эффективность этого абсорбента сильно падала, что может быть критично при масштабировании технологии до реального производства.
С этой точки зрения более перспективны оказалисьрастворители на основе смеси тиоцианата аммония и мочевины или этиленгликоля: сними чистота аммиака даже при повышенных скоростях подачи составляла от 98.4 до98.7, что сопоставимо с промышленными показателями.