[发明专利]从NH3

说明书

本发明涉及从氨反应器产物流中移除氨。与当前工业实践相比，本发明的系统和方法使得能够使用更宽范围的工艺条件来合成和去除氨。特别地，所述系统和方法使得能够使用更高的温度，更低的压力，和更高的反应物流量。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2017年5月26日提交的美国临时专利申请号62/511,862以及2017年11月25日提交的美国专利申请号62/590,570的优先权和权益。这些参考文献中的每一个均通过引用其整体而并入本文。

发明领域

本发明涉及从NH₃合成反应器产物流移除氨(NH₃)，特别是除了NH₃还包含氮气(N₂)和氢气(H₂)的产物流。

背景

由人为排放的二氧化碳(CO₂)驱动的气候变化对持续的经济发展和安全构成的威胁是本领域技术人员众所周知的。为了应对这种威胁，无论是在发达国家还是在发展中国家，都高度追求基本不排放CO₂的能源。尽管已经广泛开发了几种无CO₂的能量产生选项(例如，风能，太阳能，水力发电，和核能)，但是目前均不包括可行的无CO₂燃料。

氨(NH₃)可根据以下反应方程式(1)作为燃料燃烧：

4NH₃(g)+3O₂→2N₂+6H₂O(g)+能量 (1)

因此，大体上，NH₃可用作无CO₂燃料，和/或氢存储介质，如果热重整为氢气和氮气。然而，几乎全部的现有NH₃生产工艺均使用会产生CO₂的原料和燃料。

生产氨的主要工业步骤是哈珀-博世(Haber-Bosch)工艺，如下述反应式(2)所示：

N₂(g)+3H₂(g)→2NH₃(g)(ΔH＝-92.2kJ/mol) (2)

哈珀-博世(Haber-Bosch)工艺大约需要31.4吉焦耳的能量，自2005年起，每生产一吨NH₃产生约2.1吨CO₂。CO₂产量的约三分之二来自用于产生氢气的烃的蒸汽重整，而其余三分之一来自用以向合成工厂提供能量的燃料燃烧。在2005年，Haber-Bosch NH₃工厂中约75％使用天然气作为进料和燃料，其余则使用煤或石油。其结果是，Haber-Bosch NH₃合成消耗全球天然气产量的约3％至约5％，以及全球能源产量的约1％至约2％。

Haber-Bosch反应通常在包含氧化铁或钌催化剂的反应器中于约300℃至约550℃的温度和约90巴至约180巴的压力下进行。需要升高温度以达到合理的反应速率。由于NH₃合成的放热性质，升高的温度使平衡驱向反应物，但这被高压抵消。高压还使得NH₃能够被液化以促进从产物流移除NH₃。在商业生产中，来自氨合成的废热可帮助通过蒸汽重整天然气而进行的制氢。

发明内容