[发明专利]生产氨的改进方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年6月12日提交的美国同时待审临时专利申请序 列号60/943,443的优先权并要求享有其权益，通过引用将该申请整体并入 本文。

技术领域

本发明总体上涉及进行化学加工和生产的系统和方法，具体而言涉及 使用金属氮化物生产氨及其衍生物的系统和方法。

背景技术

哈伯氏固氮法(Haber法，也称作Haber-Bosch法和Fritz Haber法) 是氮气和氢气反应生产氨。氮气(N₂)和氢气(H₂)气体通常在铁催化剂(Fe³⁺) 存在下反应。反应在250大气压(巴)和温度450-500℃的条件下进行；根据 方程式1的描述的反应，产生收率为10-20％的NH₃。

ΔH＝-92.4kJ mol^-1 方程式1

该反应是可逆的，即该反应可正向或逆向进行，这取决于条件。根据 勒沙特列原理(Le Chatelier′s Principle)，正向反应是放热的，即产生热量， 低温对其有利。升高温度倾向于促使反应逆向进行，如果目的是生产氨， 则逆向反应是不希望的。然而，降低温度会降低反应速率，这也是不希望 的。因此，需要足够高的中间温度，既能允许反应以合理速率进行，又不 至于高到使反应逆向进行。通常使用450℃。

因为每2摩尔的产物对应4摩尔的反应物，所以高压对正向反应有利， 这意味着平衡的位置将向右移动而产生更多的氨。那么，在压力方面唯一 的妥协就是在经济情况允许的条件下尽可能地提高压力。通常使用大约 200巴的压力。

催化剂对平衡位置没有影响，而是改变了反应路径，降低了体系的活 化能，因此提高了反应速率。这就使得该方法可在更低温度下操作，如前 所述，这对正向反应有利。此外，通过考虑反应平衡常数的温度依赖性， 通过找到改进的催化剂或在更低温度下操作的程序获得的优势得到证实， 详见下表1。

氨以气态形成，但在冷凝器中在所用高压下冷却时液化，因此以液态 取出。未反应的氮气和氢气则被供回到反应中。

发明概述

一方面，本发明涉及一种在超临界反应介质中生产氨的方法。该方法 包括如下步骤：提供反应室，其设计成在足以支持超临界流体存在于其中 的温度和压力下操作；提供反应介质，当保持在临界温度和临界压力以上 时，其形成超临界流体；提供氢气源，氢气以其提供的形式可溶于超临界 流体中；提供氮气源，氮气以其提供的形式可溶于超临界流体中；使存在 于超临界流体中的氢气和氮气反应形成氨；并且从反应室中回收生成的氨。 该方法允许在具有分别低于进行哈伯氏固氮法所需的压力和温度的温度和 压力至少一项的条件下产生氨。

在一个实施方案中，在超临界反应介质中生产氨的方法进一步包括提 供含有金属氮化物的催化剂的步骤。在一个实施方案中，所述催化剂含有 选自由锂、铁、钴、镍、钛和钒组成的组的金属。在一个实施方案中，提 供含有金属氮化物的催化剂的步骤包括提供其中含有具有多种金属元素的 混合金属氮化物的催化剂。

在一个实施方案中，超临界流体包括氨。在一个实施方案中，超临界 流体包括二氧化碳。在一个实施方案中，超临界流体包括水。在一个实施 方案中，超临界流体包括乙烷。在一个实施方案中，超临界流体包括丙烷。 在一个实施方案中，超临界流体包括六氟化硫。

本发明的前述和其他目的、方面、特征及优势将由以下说明和权利要 求更加明显。

附图简要说明

参照下述附图和权利要求，能更好的理解本发明的目的和特征。附图 并非必需按比例绘制，重点通常在于说明本发明的原理。在附图中，相同 的数字用于标注遍及各视图的相同部分。

图1是说明CO₂材料的气态、液态和固态三相的压力-温度关系的图， 包括压力和温度的临界点，在此以上，液态和气态融为超临界状态。

图2是说明能够使得本发明的各方面在其中实施的化学反应器的特征 的示意图。

发明详述