發(fā)布時間：2022-01-13 12:01

　　基于氨能源廣闊的發(fā)展前景,創(chuàng)新性地提出了一種高效、低耗能的化學鏈合成氨技術,其特點是將傳統(tǒng)工業(yè)法合成氨技術分為氮化及氨化兩步反應,通過金屬氮化物在2個反應器之間循環(huán)輸運氮及熱量完成氨的合成。基于HSC Chemistry 6.0熱力學計算及TG-MS聯(lián)用技術,分析了氮化和氨化過程的化學反應機理,研究了載氮體種類及反應溫度對合成氨過程的影響。結果表明:Fe基、Mn基載氮體在氮化和氨化過程中表現(xiàn)出了明顯的差異,Fe基載氮體固氮效果較弱,但氨化過程性能良好;Mn基載氮體固氮性能突出,其氮化質(zhì)量增加量可以達到同樣反應條件下Fe基載氮體質(zhì)量增加量的4.5～5倍,但氨化較為困難。將Fe基載氮體與Mn基載氮體按一定比例混合,2種載氮體的協(xié)同作用對化學鏈合成氨過程產(chǎn)生了重要的影響。 

【文章來源】：石油學報(石油加工). 2020,36(06)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

化學鏈合成氨原理示意圖

依據(jù)方案一所述步驟進行實驗,得到的Fe基、Mn基載氮體的TG-MS曲線如圖2所示。由圖2(a)可知,Fe、Mn基載氮體在反應過程中均存在2個明顯的質(zhì)量變化區(qū),分別為氮化階段(400～700 ℃,Zone 1)以及氨化階段(700 ℃恒溫段,Zone 2)。結合HSC Chemistry 6.0的計算結果可知,圖2(a)中Zone 1溫度段Mn基載氮體的質(zhì)量增加主要是因其與N2發(fā)生了氮化反應(R5、R6、R7)。圖2(a)中Zone 2恒溫段為載氮體的氨化反應過程(Fe基載氮體:R3、R4;Mn基載氮體:R8、R9、R10)。由于該過程存在多步基元反應,載氮體中的N首先與活性氫原子(H*)依次形成活性基團NH*及NH2*附著在金屬氮化物表面,故在進入Zone 2的前 40 min 內(nèi)Mn基載氮體和Fe基載氮體仍然呈現(xiàn)質(zhì)量增加的狀態(tài)[16]。而在氨化反應開始40 min后Fe基載氮體出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失。

圖3為Fe基、Mn基載氮體氮化與氨化過程吉布斯自由能變化ΔG。由圖3(b)可知,Mn基載氮體在400～700 ℃內(nèi)反應R5及R7的吉布斯自由能變化ΔG始終小于0,反應極易發(fā)生,故Mn基載氮體具有良好的固氮性能,氮化過程結束時Mn基載氮體質(zhì)量增加可以達到相同反應條件下Fe基載氮體質(zhì)量增加的5倍。圖4為Fe基、Mn基載氮體氮化與氨化過程化學反應平衡常數(shù)kp。由圖4(b)可知,Fe基載氮體在0～700 ℃的氨化反應的反應平衡常數(shù)始終在10-1～105的范圍內(nèi),遠大于同溫度下Mn基載氮體氨化反應的平衡常數(shù)(圖4(d)),說明Fe-N之間的化學鍵較弱。在Fe基載氮體的氨化反應過程中檢測到了NH3信號(圖2(b)),可以證明Fe基載氮體與H2反應生成NH3是Zone 2恒溫段出現(xiàn)質(zhì)量損失的主要原因,故Fe基載氮體具有更好的氨化性能。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]世界氫能儲運研究開發(fā)動態(tài)[J]. 羅承先.  中外能源. 2017(11)
[2]世界氫能發(fā)展現(xiàn)狀與技術調(diào)研[J]. 王寒.  當代化工. 2016(06)
[3]合成氨工業(yè)節(jié)能減排的分析[J]. 劉化章.  化工進展. 2011(06)
[4]氨作為富氫載體和燃料的應用[J]. 安恩科,楊霞,宋堯.  能源技術. 2008(04)
[5]Mn-N相圖和金屬錳氮化[J]. 趙躍萍,張金柱,2徐楚韶.  鐵合金. 2001(05)



本文編號：3586385