一种绿氨的合成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种绿氨合成方法及装置，该合成方法利用光热耦合催化在较温和条件下制备氨气(反应压力在4bar

【技术实现步骤摘要】
一种绿氨的合成方法及装置


[0001]本专利技术涉及氨的低碳制备
，特别涉及一种绿氨合成方法及装置。

技术介绍

[0002]氨作为一种重要的化工原料，在化肥、炸药、纤维和塑料的合成中发挥着重要作用。其具有高能量密度和可液化的特性，更是被确定为合适的氢载体，有望发展成一种重要的绿色燃料。
[0003]人工合成氨始于20世纪初，Harber和Mittasch等开发了合成氨的铁催化剂，为氨的工业化合成莫定了基础。但是，该工艺需要高温和高压才能解离氮气分子中极强的N≡N键。
[0004]目前，氨的工业化合成是在催化剂的作用下使用氢气和氮气为原料在1
×
107～6
×
107Pa，400
‑
600℃的条件下实现的。与此同时，该工艺过程涉及的原料氢气的获得，需要排放大量二氧化碳。为了降低反应温度和压力，世界各国长期以来从未停止过对新型合成氨催化剂的研究和开发。
[0005]例如，1972年Aika等发现以活性炭为载体的钌催化剂对氮的合成有较高的活性。20世纪80年代后，英国BP公司着手开始研发工业化的钌催化剂。但是，目前工业合成氨依然存在着工序繁琐，设备复杂，能耗较高，碳排放严重等问题，还没能开发出使氢气和氮气在较低温度和中压压力下发生反应的催化剂。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种以水蒸汽为质子源，通过光和热的耦合催化作用，有效降低合成氨气所需的温度和压力，实现在较温和的条件下高效制备绿色氨气。
[0007]具体
技术实现思路
如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种绿氨合成方法，所述方法包括：具有一定压力的氮气和水蒸气混合后，在光热耦合催化剂、温度和光照条件下发生光热耦合催化反应，生成绿氨；
[0009]其中，所述光热耦合催化反应的催化剂由第一催化剂和助催化剂组成，所述第一催化剂为下述中的至少一种：
[0010]催化剂a、Ti、Fe、Ce、Zn、W或Ta的碳化物、氮化物或者氧化物；
[0011]催化剂b、聚合物氮化碳；
[0012]催化剂c、被C、B、P、O、F、Br元素改性的上述催化剂a或催化剂b；
[0013]所述助催化剂为K、Na、Rb、Cs、Sr、Ba、Ca、Mg、Ru、Au、Ni、Cu、Cr、Pt、Sn、Pd、Ir、Re、Rh、Ag、La和Co中至少一种。
[0014]可选地，所述氮气的压力为1bar
‑
25bar，所述水蒸气的压力为3bar
‑
80bar；
[0015]所述光热耦合催化反应的温度为100℃
‑
350℃。
[0016]可选地，所述氮气的压力为5bar
‑
20bar，所述水蒸气的压力为15bar
‑
60bar；
[0017]所述光热耦合催化反应的温度为200℃
‑
300℃。
[0018]可选地，所述水蒸气与氮气的摩尔比为1
‑
5。
[0019]可选地，所述水蒸气与氮气的摩尔比为2.5
‑
4。
[0020]可选地，所述催化剂中，所述助催化剂占所述催化剂总质量的0.1
‑
20％。
[0021]可选地，所述催化剂中，所述助催化剂占所述催化剂总质量的0.5
‑
5％。
[0022]可选地，制备所述光热耦合催化反应的催化剂的方法为光沉积法，包括：
[0023]配制质量浓度为0.1
‑
10％的助催化剂溶液，将第一催化剂和牺牲剂加入助催化剂溶液中，并在光照条件下搅拌1
‑
10h，所得物经离心、干燥处理，得到所述催化剂；
[0024]其中，所述牺牲剂为甲醇、乙醇或异丙醇；
[0025]所述干燥的温度为40
‑
100℃，时间为5
‑
24h。
[0026]可选地，制备所述光热耦合催化反应的催化剂的方法为等体积浸渍法，包括：
[0027]以水、甲醇、乙醇或异丙醇为溶剂，配制质量浓度为0.1
‑
10％的助催化剂溶液，将第一催化剂加入助催化剂溶液进行等体积浸渍2h，所得物经离心、干燥和焙烧处理，得到所述催化剂；
[0028]其中，所述干燥的温度为80
‑
150℃，时间为5
‑
24h；
[0029]所述焙烧的温度为300
‑
800℃，时间为1
‑
5h。
[0030]第二方面，本专利技术提供一种绿氨合成装置，所述装置用于上述第一方面所述的绿氨合成方法，所述装置包括：
[0031]第一热交换器，用于混合并预热具有一定压力的氮气和水蒸气；
[0032]光热耦合反应器，用于水蒸气和氮气在光热耦合催化剂、温度、压力和光照条件下发生光热耦合催化反应，生成绿氨；
[0033]第二热交换器，用于对光热耦合反应器反应后的混合物进行降温；
[0034]分离器，用于从降温后的反应后的混合物中分离出绿氨。
[0035]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0036]本专利技术提供一种绿氨合成方法及装置，该合成方法利用光热耦合催化在较温和条件下(反应压力在4bar
‑
105bar，反应温度在100℃
‑
350℃)制备氨气，借助光催化剂和热催化剂的耦合作用使反应所需温度以及压力大大降低，这在简化氨合成工艺设备、节省能源方面具有巨大的经济效应。且参与反应的原料水和氮气资源均廉价易得、储量丰富，避免了氢气的使用，大幅降低了整个合成氨过程中的碳排放，绿色、环保、经济性佳，是一种较为实用的合成绿色氨气的方法。有效解决现有利用水和氮气制备氨的方案存在氨合成效率非常低下的问题，以及现有利用氢气和氮气在高温高压条件下制备氨而带来的生产工艺复杂、设备要求高、能耗高和碳排放严重等问题。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1示出了本专利技术实施例提供的绿氨合成装置；
[0039]图2示出了本专利技术实施例提供的第一催化剂的高分辨率透射电子显微镜图像；
[0040]图3示出了本专利技术实施例提供的绿氨合成方法制得的氨溶液的浓度图；
[0041]图4示出了本专利技术实施例提供的绿氨合成方法制得的氨溶液的浓度图。
具体实施方式
[0042]提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绿氨合成方法，其特征在于，所述方法包括：具有一定压力的氮气和水蒸气混合后，在光热耦合催化剂、温度和光照条件下发生光热耦合催化反应，生成绿氨；其中，所述光热耦合催化反应的催化剂由第一催化剂和助催化剂组成，所述第一催化剂为下述中的至少一种：催化剂a、Ti、Fe、Ce、Zn、W或Ta的碳化物、氮化物或者氧化物；催化剂b、聚合物氮化碳；催化剂c、被C、B、P、O、F、Br元素改性的上述催化剂a或催化剂b；所述助催化剂为K、Na、Rb、Cs、Sr、Ba、Ca、Mg、Ru、Au、Ni、Cu、Cr、Pt、Sn、Pd、Ir、Re、Rh、Ag、La和Co中至少一种。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮气的压力为1bar
‑
25bar，所述水蒸气的压力为3bar
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80bar；所述光热耦合催化反应的温度为100℃
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350℃。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮气的压力为5bar
‑
20bar，所述水蒸气的压力为15bar
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60bar；所述光热耦合催化反应的温度为200℃
‑
300℃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水蒸气与氮气的摩尔比为1
‑
5。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水蒸气与氮气的摩尔比为2.5
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4。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂中，所述助催化剂占所述催化剂总质量的0.1
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20％。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂中，所...

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