Durchflussregelung bei der grünen Ammoniakproduktion

Ammoniak und das Haber-Bosch-Verfahren 

In den 20th Jahrhundert, Ammoniak (NH₃) wurde hauptsächlich für die Entwicklung von Düngemitteln verwendet. Im 21. Jahrhundert findet Ammoniak eine neue Verwendung als Wasserstoff-Energieträger weil Wasserstoff leicht in und aus Ammoniak umgewandelt werden kann. Da für die Verflüssigung von Ammoniak weniger Druck erforderlich ist und Ammoniak innerhalb der bestehenden Infrastruktur leichter zu transportieren oder zu lagern ist als Wasserstoff, als Wasserstoff ist anfällig für Leckagenist Ammoniak eine mögliche Lösung für den Wasserstofftransport.  

Die Haber-Bosch Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, das zu Beginn des 20.th Jahrhundert brachte die grüne Revolution in der Landwirtschaft, die die Herstellung von Stickstoffdünger in großen Mengen ermöglichte, um das Nahrungsangebot für Mensch und Tier exponentiell zu erhöhen. Das Haber-Bosch-Verfahren ist jedoch auch äußerst energieintensiv, da es hohen Druck und hohe Temperaturen erfordert. Weltweit verursacht das Haber-Bosch-Verfahren mehr als 1% aller Kohlendioxid-Emissionen und wird damit als einer der Hauptverursacher des globalen Klimawandels eingestuft. 

Ersetzen von Haber-Bosch 

Da der weltweite Einsatz von Düngemitteln und Wasserstoff mit dem Wachstum der Weltbevölkerung und des Energiebedarfs rapide ansteigen wird, wird auch die Nachfrage nach Ammoniak zunehmen. Aufgrund dieses wachsenden Interesses an Ammoniak haben Forscher neue Methoden entwickelt, um Ammoniak kostengünstiger als mit dem Haber-Bosch-Verfahren herzustellen.  

Eine solche Methode wurde entwickelt von UC Berkeley Chemiker verwenden metallorganische Gerüste (MOFs), die Ammoniak bei Temperaturen um 175 °C adsorbieren und freisetzen können. Da sich diese MOFs nicht an die Reaktanten binden, kann die Aufnahme und Freisetzung von Ammoniak mit geringeren Temperaturschwankungen erfolgen, um Energie zu sparen.  

Eine weitere Methode, die kürzlich vom Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM) benötigt sogar noch weniger Energie für die Herstellung von Ammoniak, indem ein in den Plasmakatalysator integriertes System verwendet wird, das mit H₂O und N₂ bei atmosphärischem Druck. Bei diesem Verfahren spaltet das Stickstoffplasma Wasser, das mit dem Stickstoff reagiert und NOx und H₂. In Gegenwart eines auf 100-110 °C erhitzten Katalysators verwandeln sich diese Zwischenprodukte in etwa 85% Ammoniak mit einer Selektivität von 95%.  Da der Energiebedarf so gering ist, dass er durch erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie gedeckt werden kann, kann dieses Verfahren als "grünes" Ammoniakproduktionsverfahren eingestuft werden.

Die grüne Ammoniak-Produktionsmethode von KIMM 

Bei der KIMM-Methode wird zunächst ein Plasma aus Stickstoffgas mit einer Durchflussrate von 20 l/min erzeugt und dann in eine Kammer geleitet. Gleichzeitig strömt Wasser mit einer Geschwindigkeit von 50 ml/min als Wasserfilm in den Stickstoffauslassbereich der Kammer. Der Wasserfilm wird durch das Stickstoffplasma in H₂ und NO. Danach wird NO über H₂ zu Ammoniak über zwischen 100-110 °C erhitzte Edelmetallkatalysatoren (Pd/γ-Al₂O3 Katalysatoren auf einem mit der Plasmakammer verbundenen Keramikmonolithen).  

Der Einsatz von Gas- und Flüssigkeitsmassenstromreglern ermöglicht eine wiederholbare, präzise und genaue Durchflussregelung und Automatisierung des Stickstoffplasmas, des Wassers und des erhitzten Katalysators in der Kammer.  

Regulierung des Gasflusses

Für die Regulierung des Gasflusses ist das Alicat MC-Serie bietet einen Stickstoff- und Katalysatorgasstrom (vor der Plasmaerzeugung oder Katalysatorerwärmung) mit nützlichen Eigenschaften und Merkmalen wie: 

• 0,5 SCCM Skalenendwert bis 5.000 SLPM Skalenendwert mit einem Turndown von 0,01% - 100% vom Skalenendwert 
• NIST-rückführbare Genauigkeit bis zu ±0,5% vom Messwert oder ±0,1% vom Endwert 
• Wiederholbarkeit von ±0,1% vom Skalenendwert + 0,02% vom Skalenendwert 

Da das KIMM-Verfahren zur Erzeugung von grünem Ammoniak eine Temperaturregelung des Katalysators über eine Gasheizung erfordert, kann eine SPS oder ein Computer die Durchflussregelung des Heizgases automatisieren und den Durchfluss auf der Grundlage der Kommunikation mit Temperatursensoren in der Kammer anpassen. 

Für die Regulierung des Gasflusses kann alternativ das CODA KC-Serie kann den Stickstoff- und Katalysatorgasstrom (vor der Plasmaerzeugung oder Katalysatorerwärmung) mit den im nächsten Abschnitt erläuterten Eigenschaften bereitstellen, da die CODA KC-Serie auch den Flüssigkeitsstrom regeln kann.  

Regulierung des Flüssigkeitsdurchflusses

Für die Regulierung des Wasserdurchflusses in der Kammer kann entweder das Alicat LC-Serie oder CODA KC-Series können mit Attributen wie: 

LC-Serie  

• 0,5 CCM bis 10 LPM Skalenendwert mit einem Turndown von 2% - 100% des Skalenendwertes 
• NIST-rückführbare Genauigkeit bis zu ±2% des Skalenendwertes 
• Wiederholbarkeit von ±2% vom Skalenendwert 

CODA KC-Reihe  

• 40 g/h Skalenendwert bis 100 kg/h Skalenendwert mit einer Abweichung von 2% - 100% vom Skalenendwert 
• NIST-rückführbare Flüssigkeitsgenauigkeit bis zu ±0,6% vom Messwert oder ±0,2% vom Skalenendwert, je nachdem, welcher Wert größer ist 
• Reproduzierbarkeit von ±0,1% des Skalenendwertes 

Da die CODA KC-Serie sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase geeignet ist, kann sie als All-in-1-Lösung sowohl für die Gas- als auch für die Flüssigkeitsdurchflussregelung in diesem Prozess eingesetzt werden.

Alle Geräteoptionen umfassen auch Totalisierung, Dosierung und kundenspezifische Automatisierung über eine SPS oder einen Computer mit verschiedenen Kommunikationsoptionen.