Design and operational considerations of catalytic membrane reactors for ammonia synthesis

渗透 氨生产 化学 催化作用 膜反应器 制氢 化学工程 电力转天然气 工艺工程 选择性 废物管理 无机化学 有机化学 工程类 生物化学 电解 电极 物理化学 电解质
作者
Zhenyu Zhang,J. Douglas Way,Colin A. Wolden
出处
期刊:Aiche Journal [Wiley]
卷期号:67 (8) 被引量:30
标识
DOI:10.1002/aic.17259
摘要

Abstract Production of ammonia using hydrogen derived from renewable electricity instead of hydrocarbon reforming would dramatically reduce the carbon footprint of this commodity chemical. Novel technologies such as catalytic membrane reactors (CMRs) may potentially be more compatible with distributed ammonia production than the conventional Haber–Bosch process. A reactor model is developed based on integrating a standard industrial iron catalyst into a CMR equipped with an inorganic membrane that is selective to NH 3 over N 2 /H 2 . CMR performance is studied as functions of wide ranges of membrane properties and operating conditions. Conversion and ammonia recovery are dictated principally by the ammonia permeance, and the benefits by using membranes become significant above 100 GPU = 3.4 × 10 −8 mol m −2 s −1 Pa −1 . To be effective, the CMR requires a minimum selectivity for ammonia of 10 over both nitrogen and hydrogen and purity scales with the effective selectivity. Increasing the pressure of operation significantly improves all metrics, and at P = 30 bar with a quality membrane, ammonia is almost completely recovered, enabling direct recycle of unreacted hydrogen and nitrogen without need for recompression. Temperature drives conversion and scales monotonically without thermodynamic limitations in a CMR. Alternatively, the temperature may be reduced as low as 300°C while achieving conversion levels surpassing equilibrium limits at T = 400°C in a conventional reactor.
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