암모니아 기술 반응기란 무엇입니까? 원리, 설계 및 응용

암모니아 기술 원자로 는 무엇 인가? 원칙, 설계 및 적용

핵심 질문에 답합니다.암모니아 기술 원자로 는 무엇 이며, 하버 보쉬 합성 과정 은 어떻게 질소 와 수소 로부터 암모니아 를 생산 합니까?An ammonia technology reactor is a high-pressure catalytic synthesis vessel that converts nitrogen (N2) and hydrogen (H2) into ammonia (NH3) via the exothermic equilibrium reaction N2 + 3H2 <-> 2NH3 (delta-H_r = -92산업용 하버 보쉬 공정은 150-350 바와 400-500C에서 프로모션 된 철 촉매 (K2O 및 Al2O3 프로모터와 Fe,표면면적 10-20 m2/g) 또는 루테늄 기반 촉매 (탄소 또는 MgO 지원에 Ru), 2-5배 더 높은 활동). 수용 가능한 반응 운동학에 필요한 높은 온도에서 열역학적 평형 제한으로 인해 퍼 패스 변환은 15-25%입니다. 반응하지 않은 가스는 냉각됩니다.암모니아가 응축되고 분리됩니다 (-25, 150bar)세계 암모니아 생산량은 연간 1억 8천만 톤을 초과하고, 1톤 NH3당 28~35GJ (세계 에너지의 1-2%) 를 소비한다.신흥 녹색 암모니아 기술은 신재생 수소 (전도분해) 와 풍력/태양 전력 합성을 사용하여 비료 및 에너지 저장 응용 프로그램을 탈탄소화합니다..

1핵 암모니아 합성 원리와 열역학

암모니아 기술 원자로 설계는 세 가지 열역학 및 운동 원리에 의해 지배됩니다.

• 열역학적 균형과 르 샤틀리어 효과암모니아 합성 반응 N2 + 3H2 <-> 2NH3는 외열 (델타-H = -92.4 kJ/mol 450C에서) 이며 반응 물질의 4 몰을 생성하여 2 몰의 제품을 생성합니다. 르 샤틀리에 원리에 따라,고압은 평형을 암모니아 쪽으로 옮깁니다 (가스 몰이 적습니다), 낮은 온도는 외열 전진 반응을 유도한다. 200 바와 450C에서 평형 암모니아 농도는 약 16% (공간 속도 15,000 h-1) 이다. 350 바와 450C에서,균형은 25%에 도달합니다.그러나 반응 운동학은 철 촉매 활성화 에너지에 최소 400-500C가 필요합니다 (Fe 표면에 N2 분립에 대한 Ea = 170 kJ/mol),균형 (저 T) 와 운동 (고 T) 사이의 근본적 긴장을 생성하여 최적의 운영 창을 정의합니다..
• 촉매 메커니즘 및 촉진 효과세 번 증진된 철 촉매 (마그네타이트 Fe3O4는 K2O가 전자 증진자, Al2O3가 구조 증진자,그리고 CaO는 질감 증진자로서) Fe의 결정 표면에 분리 화학 흡수 작용을 통해 N2를 활성화합니다.속도 결정 단계는 N2분리 흡수 (Ea = 170 kJ/mol); N*의 NH*로 NH2*로 NH3*로 후속 수소화는 빠르다.알루미나는 표면 스피넬 장벽을 형성하여 400-500C에서 철 sintering을 방지합니다., 10년 이상 작동하는 동안 표면 면적이 10-20m2/g로 유지됩니다. 루테늄 촉매 (Ru/C 또는 Ru/MgO,2-5 wt% Ru) 는 낮은 압력 (80-100 바) 에서 2-5 배 더 높은 활동을 보이지만 철보다 100-1000 배 더 비싸다., Kellogg Braun KAAP 프로세스 업그레이드에만 사용하도록 제한합니다.
• 열 관리 및 소화 변환기 설계이온화 반응 (-92.4 kJ/mol, 1 톤 NH3당 2.7 GJ에 해당) 은 최적의 온도를 유지하기 위해 제거되어야 합니다.(Kellogg Braun) 는 차가운 합성 가스를 주입합니다 (4H2:N2) 는 열을 흡수하기 위해 촉매 베드 사이에, 3-4 베드와 인터베드 소화로 매번 전환 12-18%를 달성합니다. (2) 간접 냉각 변환기 (Haldor Topsoe S-200,카사레) 는 온도 조절을 위해 침대 사이에 내부 열 교환기를 사용합니다., 고압 증기 (100-120 바, 480C) 를 귀중한 부산물로 생산합니다. 온도 프로파일은 감소 궤도를 따르고 있습니다. 첫 침실 입구 380-400C,출구 500-520C (최대 촉매 온도); 평형에 접근하는 낮은 온도에서 후속 침대.

2암모니아 기술 원자로의 주요 유형

산업용 암모니아 합성 원자로는 내부 흐름 패턴과 냉각 방법에 따라 분류됩니다.

• 축적 흐름 소화 변환기 (켈로그 브라운)합성 가스는 3-4개의 촉매 베드 (각 베드 높이가 1-2m, 컨버터당 총 60-80m3 촉매) 를 통해 아래로 흐르며, 베드 간 소화 가스를 주입한다.촉매 입자 크기 6-10 mm (저압 하락을 위해), 각 침대에 ~ 0.5 MPa). 통행 회전 12-16%, 전체적으로 재활용 루프 98% 150-200 바 작업 압력, 온도 380-520C소화 설계는 간접 냉각보다 간단하고 저렴하지만 매번 전환이 낮습니다.대규모 비료 공장 (1,000-3,000 t/d NH3 1 컨버터) 에서 표준.
• 방사성 흐름 간접 냉각 변환기 (Haldor Topsoe S-200)기체는 중심에서 외부 반구로 가는 얇은 촉매 베드 (0.3-0.6m의 두께) 를 통해 방사선으로 흐르며, 큰 흐름 영역으로 인해 낮은 압력 하락 (<0.3 MPa) 을 가진 작은 촉매 입자 (1.5-3 mm) 를 허용합니다..침상 사이의 내부 열 교환기는 100-120 바의 증기를 생산하고 침상 출구 온도를 480-500C까지 제어합니다. 매번 통과 변환은 소화 설계보다 18-22% 높습니다.더 작은 입자 크기는 0에서 촉매 효과 인수를 증가시킵니다..3 (10 mm) 에서 0.8 (3 mm) 로, 필요한 촉매 부피를 40% 감소시킵니다. 1,500~5,000t/d의 플랜트에 사용됩니다.
• 루테늄 촉매 변환기 (KAAP, 켈로그 첨단 암모니아 공정)Ru/MgO 또는 Ru/활성화탄소 촉매 (2-5 wt% Ru) 를 낮은 압력 (80-100 bar) 과 350-450C에서 사용합니다.루 촉매의 더 높은 내적 활동 (2-5x Fe) 은 열역학적으로 덜 유리한 저압을 보상합니다.1 패스 변환 12~18% 90 바. KAAP 프로세스는 단일 열차의 큰 암모니아 공장 (2,000~5,000mA) 에서 사용됩니다.100000t/d) 는 압축 에너지를 25-30% 감소시킵니다 (하의 압력 = 더 적은 합성 가스 압축기 전력)총 에너지 소비: 25-28 GJ/t NH3 (150-200bar의 전통적인 Fe에 대 한 33-35 GJ/t). 자본 비용은 Ru 촉매 가격으로 인해 더 높습니다 ($ 50-100/g Ru 대 2-5/kg Fe 촉매).

암모니아 기술 원자로 유형 비교 행렬

자주 묻는 질문 (FAQ)

질문: 하버 보쉬 공정은 무엇이며 왜 높은 압력을 필요로 합니까?

A: 하버-보쉬 공정은 질소와 수소로부터 암모니아를 합성합니다 (N2 + 3H2 -> 2NH3, 델타-H = -92.4 kJ/mol 450C에서).반응이 더 적은 가스 몰을 생성하기 때문에 높은 압력 (150-350 바) 가 필요합니다., 그래서 르 샤틀리에의 원리에 의해, 고압은 암모니아 쪽으로 평형을 이동합니다. 200 바와 450C에서, 평형 암모니아 농도는 대략 16%입니다; 350 바에서, 25%. 그러나,반응 운동학은 철기 촉매 활성화 에너지를 위해 400-500C가 필요합니다 (Fe에 대한 N2 분해에 Ea = 170 kJ/mol), 평형 (저 T) 과 운동 (고 T) 사이의 긴장감을 만들어 작동 창을 정의합니다.

질문: 암모니아 합성에서 사용되는 철 촉매의 성분은 무엇입니까?

A: 표준 암모니아 합성 촉매는 알파-페로 인시투로 감소 된 세 번 증진 된 마그네티트 (Fe3O4) 입니다. 구성: 80-90% Fe (감축 전에 Fe3O4), 2-4% K2O (전자 증진자,Fe 표면의 전자 밀도를 증가시킵니다., N2 화학 흡수 증진), 2-5% Al2O3 (구조 프로모터, 표면 스피넬 장벽을 형성하여 400-520C에서 Fe sintering을 방지하고, 10 년 이상 10-20 m2/g 표면 면적을 유지합니다.)그리고 CaO 1-3% (구조 촉진제), 포스 부피를 증가시킵니다.) 촉매는 1,500C에서 프로모터와 철산화소의 융합을 통해 준비되며, 1.5-10mm의 입자로 분쇄되고 스크린됩니다.그리고 50-100시간 동안 시작 시 합성 가스 (H2 + N2) 로 감소.

질문: 녹색 암모니아는 무엇이며, 기존 암모니아 생산과 어떻게 다른가?

A: 녹색 암모니아는 화석에서 파생된 수소 (자연가스의 증기 메탄 리포밍) 대신 재생 가능한 수소 (풍력/태양/수력으로 작동하는 물 전해질) 를 사용하여 생산됩니다.일반적인 회색 암모니아 배출량 10.8-2.5 t CO2 1 t NH3 (SMR + Haber-Bosch). 녹색 암모니아는 배출량을 거의 0으로 줄여줍니다. 공기로부터 나오는 N2 만, 수소 생산에서 나오는 CO2는 없습니다.합성 원자로 기술은 동일합니다 (Fe 또는 Ru 촉매, 80-350 바, 400-500C), 그러나 전면은 다릅니다: 전해질 (PEM 또는 알칼리, 1-5 MW / t / d NH3) 는 SMR를 대체하고 공기 분리 장치 (크로오겐 디스틸레이션 또는 PSA) 는 N2를 제공합니다.녹색 암모니아는: 비료의 탈탄소화, 수소 운반기 (NH3는 H2의 17.6% 가량, -33C 또는 8.6bar에서 액체) 및 해상 연료 (암모니아 연료 엔진, 0 CO2).

Q: 왜 암모니아 합성에서 1번 통과 변환이 15-25%에 불과하며 전체 변환은 어떻게 달성됩니까?

A: 매번 통과 변환은 400-500C의 열역학 평형 (발전자 운동학에 필요한) 이 완전한 변환을 선호하지 않기 때문에 15-25%로 제한됩니다. 200 바와 450C에서,평형 암모니아 농도는 16%에 불과합니다.전체 변환이 95% 이상인 경우, 암모니아 합성 루프는 (1) 암모니아 제거 후 반응하지 않은 N2 + H2를 원자로 입구로 다시 전달하는 가스 재활용 시스템을 사용합니다.(2) 150bar에서 -25C로 냉각된 (또는> 200bar에서 수로 냉각된) 원자로 하수류가 있는 암모니아 응축 단계, 생성 된 암모니아의 80-90%를 응고하고 (3) 합성 가스 공급에서 관성 가스 (Ar, CH4) 의 축적을 방지하기 위해 정화 흐름 (5-10%의 재활용).재활용 압축기는 4-6x 신선한 먹이 흐름 속도를 처리.