[发明专利]一种高效等离子催化合成氨的系统

说明书

本发明属于合成氨的技术领域，特别涉及一种高效等离子催化合成氨的系统，包括氮气罐、氢气罐、水汽发生罐、合成罐、抽气泵、分离罐和氨气罐；所述氮气罐、氢气罐和水汽发生罐上分别设置有与合成罐侧壁底部相连的输气管，所述合成罐的内壁上间隔安装有若干高压脉冲电源，所述合成罐内自下而上设置有若干蜂窝状并联的等离子体发生器组，所述分离罐设置于合成罐的一侧并与合成罐通过抽气泵相连，所述氨气罐连接于分离罐的一侧。本发明使得氨气的合成效率提升至15.0%‑20.1%，相对于传统的方式提高了氨气的合成效率，能够大规模投入工业应用。

技术领域

本发明属于合成氨的技术领域，特别涉及一种高效等离子催化合成氨的系统。

背景技术

合成氨工业极大地影响着人类的发展进程，但是，传统的合成氨过程需要在高温高压条件下进行，因此，如何降低反应温度和压力目前该领域的研究热点。

等离子体合成氨技术相比传统合成氨技术具有反应条件温和、系统结构紧凑、启停灵活等优点，已受到国内外研究者和工业界的广泛关注。等离子体是一种部分或完全电离的气体，整体呈电中性，但内部含有大量高能电子这些电子可以在常温常压下将氮气和氢气加以电离和分解，产生N·、H·、NH_x·等高活性的自由基，这些自由基可以在某些特定的条件下合成氨。

申请号为201610715138.9的中国发明专利公开了一种利用氮气和水合成氨的方法，其将水气与氮气按照体积比为1:1-99的比例混合，混合气的温度维持在与水蒸气发生器一致的温度10-100℃，将混合气以50-1000 mL/min的流量通入等离子体发生器，等离子体发生器的功率为1-6 kW，合成氨反应时间为10-180 min。采用上述方法合成氨的产量最高为160-180 ppm，合成流量与效率较低，难以大规模投入工业应用。因此，研发一种能够有效提高氨合成效率的方法是目前相关企业继续解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高效等离子催化合成氨的系统，其能够有效提高氨的合成效率，较好的应用于工业化合成氨。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高效等离子催化合成氨的系统，包括氮气罐、氢气罐、水汽发生罐、合成罐、抽气泵、分离罐和氨气罐；所述氮气罐、氢气罐和水汽发生罐上分别设置有与合成罐侧壁底部相连的输气管，所述合成罐的内壁上间隔安装有若干高压脉冲电源，所述合成罐内自下而上设置有若干蜂窝状并联的等离子体发生器组，所述分离罐设置于合成罐的一侧并与合成罐通过抽气泵相连，所述氨气罐连接于分离罐的一侧。

通过采用上述技术方案，在合成氨过程中，氮气、氢气和水汽在合成罐中混均，并在等离子体发生器的作用下，形成N·、H·和OH·等自由基，随后这些自由基剧烈碰撞生成氨气。合成罐中高压脉冲电源自下而上分区排布、根据氮气、氢气和水汽的电离能和NH₃产率调节放电功率和脉冲放电参数，有效提高氨气合成的效率。随后抽气泵将该带有水汽的氨气气流抽至分离罐中，并加以分离，最后将氨气存储于氨气罐中。

本发明通过水汽和氢气作为氢源、以氮气为氮源，并将其以等离子体的方式，使得氨气的合成效率提升至15.0%-20.1%，相对于传统的方式，从而本发明能够较好的应用于工业化合成氨。

进一步地，所述合成罐中，氮气与氢气的体积比为1:5-5:1，水汽的体积占氮气、氢气与水汽的体积总和的3%-5%。

通过采用上述技术方案，温度恒定时，当氮气与氢气的体积比为1:5-5:1，水汽的体积占氮气、氢气与水汽的体积总和的3%-5%时，则其对应氨气的合成效率达到最高，使得氨气具有优异的转化率，降低了氨气的生产成本。

进一步地，所述合成罐内的水汽温度为35-40℃。