[發明專利]一種高效等離子催化合成氨的系統

在審

• 申請號: 201910228832.1
• 申請日: 2019-03-25
• 公開（公告）號: CN110104661A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 竺新波;楊國華;胡學理;吳希強
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: C01C1/04
• 分類號: C01C1/04;B01J31/28;B01J31/32
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 黃勇

本發明屬于合成氨的技術領域，特別涉及一種高效等離子催化合成氨的系統，包括氮氣罐、氫氣罐、水汽發生罐、合成罐、抽氣泵、分離罐和氨氣罐；所述氮氣罐、氫氣罐和水汽發生罐上分別設置有與合成罐側壁底部相連的輸氣管，所述合成罐的內壁上間隔安裝有若干高壓脈沖電源，所述合成罐內自下而上設置有若干蜂窩狀并聯的等離子體發生器組，所述分離罐設置于合成罐的一側并與合成罐通過抽氣泵相連，所述氨氣罐連接于分離罐的一側。本發明使得氨氣的合成效率提升至15.0%?20.1%，相對于傳統的方式提高了氨氣的合成效率，能夠大規模投入工業應用。

技術領域

本發明屬于合成氨的技術領域，特別涉及一種高效等離子催化合成氨的系統。

背景技術

合成氨工業極大地影響著人類的發展進程，但是，傳統的合成氨過程需要在高溫高壓條件下進行，因此，如何降低反應溫度和壓力目前該領域的研究熱點。

等離子體合成氨技術相比傳統合成氨技術具有反應條件溫和、系統結構緊湊、啟停靈活等優點，已受到國內外研究者和工業界的廣泛關注。等離子體是一種部分或完全電離的氣體，整體呈電中性，但內部含有大量高能電子這些電子可以在常溫常壓下將氮氣和氫氣加以電離和分解，產生N·、H·、NH_x·等高活性的自由基，這些自由基可以在某些特定的條件下合成氨。

申請號為201610715138.9的中國發明專利公開了一種利用氮氣和水合成氨的方法，其將水氣與氮氣按照體積比為1:1-99的比例混合，混合氣的溫度維持在與水蒸氣發生器一致的溫度10-100℃，將混合氣以50-1000 mL/min的流量通入等離子體發生器，等離子體發生器的功率為1-6 kW，合成氨反應時間為10-180 min。采用上述方法合成氨的產量最高為160-180 ppm，合成流量與效率較低，難以大規模投入工業應用。因此，研發一種能夠有效提高氨合成效率的方法是目前相關企業繼續解決的技術難題。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種高效等離子催化合成氨的系統，其能夠有效提高氨的合成效率，較好的應用于工業化合成氨。

為實現上述第一個目的，本發明提供了如下技術方案：

一種高效等離子催化合成氨的系統，包括氮氣罐、氫氣罐、水汽發生罐、合成罐、抽氣泵、分離罐和氨氣罐；所述氮氣罐、氫氣罐和水汽發生罐上分別設置有與合成罐側壁底部相連的輸氣管，所述合成罐的內壁上間隔安裝有若干高壓脈沖電源，所述合成罐內自下而上設置有若干蜂窩狀并聯的等離子體發生器組，所述分離罐設置于合成罐的一側并與合成罐通過抽氣泵相連，所述氨氣罐連接于分離罐的一側。

通過采用上述技術方案，在合成氨過程中，氮氣、氫氣和水汽在合成罐中混均，并在等離子體發生器的作用下，形成N·、H·和OH·等自由基，隨后這些自由基劇烈碰撞生成氨氣。合成罐中高壓脈沖電源自下而上分區排布、根據氮氣、氫氣和水汽的電離能和NH₃產率調節放電功率和脈沖放電參數，有效提高氨氣合成的效率。隨后抽氣泵將該帶有水汽的氨氣氣流抽至分離罐中，并加以分離，最后將氨氣存儲于氨氣罐中。

本發明通過水汽和氫氣作為氫源、以氮氣為氮源，并將其以等離子體的方式，使得氨氣的合成效率提升至15.0%-20.1%，相對于傳統的方式，從而本發明能夠較好的應用于工業化合成氨。

進一步地，所述合成罐中，氮氣與氫氣的體積比為1:5-5:1，水汽的體積占氮氣、氫氣與水汽的體積總和的3%-5%。

通過采用上述技術方案，溫度恒定時，當氮氣與氫氣的體積比為1:5-5:1，水汽的體積占氮氣、氫氣與水汽的體積總和的3%-5%時，則其對應氨氣的合成效率達到最高，使得氨氣具有優異的轉化率，降低了氨氣的生產成本。

進一步地，所述合成罐內的水汽溫度為35-40℃。