制備氨的系統及方法技術方案

本發明專利技術提供了一種制備氨的系統及方法。所述系統包括：膜反應器；密封于膜反應器中的透氧膜；分別裝填于透氧膜兩側的催化劑模塊I和催化劑模塊II；用于向透氧膜一側導入原料氣的氣體導入裝置I，以及向透氧膜的相對側導入吹掃氣的氣體導入裝置II；作為原料氣的水蒸氣和氮氣的混合物；作為吹掃氣的還原性氣體。本發明專利技術制備氨的方法是用初始原料水和氮氣在混合導體透氧膜反應器中直接合成氨。該方法可在常壓下進行，提高壓力可以提高氨的產率和合成氨速度。該方法的操作、裝置都十分簡單，大大減少了合成氨的工序，節省了大量的能源。同時還能獲得其它有價值的化工產品。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種合成氨的系統及方法，特別涉及以水和氮氣為原料在混合導體透氧膜反應器中直接合成氨的方法。技術背景氨是最重要的基礎化工產品之一。目前合成氨主要采用傳統的Haber-Bosch法，該方法是在催化劑的作用下以氫氣、氮氣為原料，在高溫(400℃-600℃)、高壓(10MPa-60MPa)的條件下合成氨。在Haber-Bosch合成氨方法中，原料氫氣主要來自以甲烷為主的天然氣。以甲烷為主的天然氣的使用帶來了地球溫室化的加劇，且天然氣資源日趨枯竭，這使得以天然氣為主要氫氣來源的傳統合成氨方法面臨著嚴峻挑戰。水作為一種儲量豐富、清潔、可持續的理想氫源，通過水分解制得氫氣的方式已有不少報道。現有的水分解制氫的方法有電解法、熱分解法、光催化法等。此外，Haber-Bosch合成氨方法還存在著以下幾個問題：(1)能耗大、對設備的要求高。傳統合成氨是在高溫高壓下進行的，這就對設備提出了較高的要求。世界上大約10％的能源是用于合成氨的，其中高壓的反應條件比高溫的反應條件耗能多，因此低壓甚至在常壓體系下合成氨在能源節省和設備簡化方面具有重要意義；(2)轉化率低。通常情況下，合成氨的轉化率只有20％左右；(3)環境污染嚴重；(4)從原料到產物的步驟繁多等。因此研究者們一直在探索高效率、低能耗、環境友好、反應條件溫和的各種合成氨新方法，如：電催化常壓合成氨、光催化合成氨、生物催化室溫合成氨、超臨界合成氨等，而其中電催化合成氨法是其中研究較多、機理較成熟的一種。在以水和氮氣為原料的電催化合成氨的研究中，多見以質子導體或氧離子導體作為電解質材料的相關研究。但目前尚無在不加電的情況下以水和氮氣為原料用混合導體透氧膜材料在常壓下合成氨的報道。混合導體透氧膜材料是一類能夠同時傳導電子和氧離子的由氧化物組成的只滲透氧氣的致密陶瓷膜，只要膜的兩側存在氧化學勢梯度，膜中的氧離子就會定向地從高氧化學勢側遷移至低氧化學勢側。相比于在電催化合成氨中的所用的只導氧離子的氧離子導體，混合導體透氧膜材料亦可以導電子，這就使得常壓下在不加電的情況下使用混合導體透氧膜材料來合成氨成為可能。
技術實現思路
本專利技術的目的之一，在于提供一種用于制備氨的系統，包括：膜反應器；密封于膜反應器中的透氧膜；分別裝填于透氧膜兩側的催化劑模塊I和催化劑模塊II；作為原料氣的水蒸氣和氮氣的混合物；作為吹掃氣的還原性氣體；用于向透氧膜一側導入原料氣的氣體導入裝置I，以及向透氧膜的相對側導入吹掃氣的氣體導入裝置II；其中，催化劑模塊I為同時催化水分解和合成氨的雙功能催化劑，與氣體導入裝置I同側設置；催化劑模塊II為還原性氣體氧化或部分氧化的催化劑，與氣體導入裝置II同側設置。本專利技術另一方面的目的在于提供一種制備氨的方法，使用上述本專利技術的制備氨的系統，包括如下步驟：①將兩側分別裝填了催化劑模塊I和催化劑模塊II的透氧膜密封在膜反應器中；所述催化劑模塊I為同時催化水分解和合成氨的雙功能催化劑，催化劑模塊II為還原性氣體氧化或部分氧化的催化劑；②由氣體導入裝置I向透氧膜的一側通入原料氣，同時，由氣體導入裝置II向透氧膜的對側通入吹掃氣；所述原料氣是水蒸氣和氮氣的混合物；所述吹掃氣是還原性氣體；③原料氣中的水在催化劑模塊I的作用下高溫分解生成氧氣與氫氣，其中氧氣經透氧膜到達對側與吹掃氣反應；未能通過透氧膜的氫氣與氮氣反應生成氨，即為目標產品。上述制備氨的方法中步驟③所述的高溫是400℃-900℃。本專利技術是在不加電的情況下進行的，由初始原料水和氮氣在混合導體透氧膜反應器中直接合成氨。該方法可在常壓下進行，提高壓力可以提高氨的產率和合成氨速度。同時，合成氨的反應與甲烷部分氧化等反應的耦合，使得本專利技術更具意義。此外，本專利技術所述的系統結構簡單、操作便捷，大大減少了合成氨的工序，節省了大量的能源。附圖說明本專利技術附圖2幅，其中：圖1是本專利技術的制備氨的系統示意圖；圖2是本專利技術制備氨的方法過程示意圖。具體實施方式本專利技術首先提供一種制備氨的系統，包括：膜反應器1；密封于膜反應器1中的透氧膜2；分別裝填于透氧膜(2)兩側的催化劑模塊I7和催化劑模塊II8；作為原料氣的水蒸氣和氮氣的混合物；作為吹掃氣的還原性氣體；用于向透氧膜2一側導入原料氣的氣體導入裝置I3，以及向透氧膜2的相對側導入吹掃氣的氣體導入裝置II5；其中，催化劑模塊I7為同時催化水分解和合成氨的雙功能催化劑，與氣體導入裝置I3同側設置；催化劑模塊II8為還原性氣體氧化或部分氧化的催化劑，與氣體導入裝置II5同側設置。具體實施方式之一，所述的透氧膜2為同時傳導電子和氧離子的混合導體透氧膜。進一步考慮到本專利技術中透氧膜工作所處的苛刻環境，優選穩定性很好的雙相膜。另一方面，就相同材料來說，負載膜的透氧量是自支撐膜的好幾倍，因此優選負載型透氧膜，以提高氨的產量。所述透氧膜2的形狀可根據生產需求設計為片狀膜或管狀膜。關于將透氧膜2密封安裝于膜反應器中的方法，本領域技術人員可根據現有技術中的記載完成，本專利技術優選使用銀圈密封或金圈密封的密封方法，這兩種密封方法的密封成功率高且密封好的膜反應器可在高溫水蒸氣的環境中長期運行而不會出現因密封問題導致的泄露。具體實施方式中，所述的催化水分解和合成氨的雙功能催化劑為釕基催化劑、鉑基催化劑或銠基催化劑。優選釕基催化劑或鉑基催化劑。具體實施方式中，所述的吹掃氣選自低純度的氫氣、合成氣、甲烷、乙烷、乙醇和水。優選甲烷或乙烷。另一具體的實施方式中，本專利技術所述的系統中的氣體導入裝置I3包括：至少1個用于儲存原料氣的原料氣容器；用于連接原料氣容器和膜反應器的原料氣管道；用于控制原料氣流量的流量控制設備，該設備有助于在生產中實現量化調節。又一具體的實施方式中，本專利技術所述的系統中的氣體導入裝置II5包括：至少1個用于儲存吹掃氣的吹掃氣容器；用于連接吹掃氣容器和膜反應器的吹掃氣管道；用于控制吹掃氣流量的流量控制設備，該設備有助于在生產中實現量化調節。本專利技術所述的系統在生產中，原料氣中的水蒸氣在催化劑模塊I7的作用下高溫分解生成氧氣與氫氣，其中氧氣經透氧膜2到達對側與吹掃氣反應；未能通過透氧膜2的氫氣與原料氣中的氮氣反應生成目標產品氨氣。上述氧氣透過透氧膜2達到對側與吹掃氣反應后所得的產品常常也是具有很高的工業生產價值，與目標制備的氨氣一樣，需要適當地采集。鑒于此，本專利技術的具體實施方式之一提供的系統還包括：與氣本文檔來自技高網...

【技術保護點】
制備氨的系統，包括：膜反應器(1)；密封于膜反應器(1)中的透氧膜(2)；分別裝填于透氧膜(2)兩側的催化劑模塊I(7)和催化劑模塊II(8)；作為原料氣的水蒸氣和氮氣的混合物；作為吹掃氣的還原性氣體；用于向透氧膜(2)一側導入原料氣的氣體導入裝置I(3)，以及向透氧膜(2)的相對側導入吹掃氣的氣體導入裝置II(5)；其中，催化劑模塊I(7)為同時催化水分解和合成氨的雙功能催化劑，與氣體導入裝置I(3)同側設置；催化劑模塊II(8)為還原性氣體氧化或部分氧化的催化劑，與氣體導入裝置II(5)同側設置。

【技術特征摘要】
1.制備氨的系統，包括：
膜反應器(1)；
密封于膜反應器(1)中的透氧膜(2)；
分別裝填于透氧膜(2)兩側的催化劑模塊I(7)和催化劑模塊II(8)；
作為原料氣的水蒸氣和氮氣的混合物；作為吹掃氣的還原性氣體；
用于向透氧膜(2)一側導入原料氣的氣體導入裝置I(3)，以及向透氧膜(2)的相對側
導入吹掃氣的氣體導入裝置II(5)；
其中，催化劑模塊I(7)為同時催化水分解和合成氨的雙功能催化劑，與氣體導入裝置
I(3)同側設置；催化劑模塊II(8)為還原性氣體氧化或部分氧化的催化劑，與氣體導入裝
置II(5)同側設置。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述的透氧膜(2)為同時傳導電子和氧
離子的混合導體透氧膜。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述的催化水分解和合成氨的雙功能催化
劑為釕基催化劑、鉑基催化劑或銠基催化劑。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述的吹掃氣為低純度的氫氣、合成氣、
甲烷、乙烷、乙醇和水。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述的氣體導入裝置I(3)包括：
至少1個用于儲存原料氣的原料氣容器；
用于連接原料氣容器和膜反應器的原料氣管道；
用于控制原料氣流量的流量控制設備。
6.根據權利要求1所述的系統，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊維慎，李文平，朱雪峰，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21