一种利用氮气和水合成氨的方法与流程

本发明涉及氨合成的技术领域，具体地说是利用氮气和水合成氨的方法，更具体的说是利用等离子体促进氮气和水气反应合成氨的方法。

背景技术：

氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位，同时世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨，氨主要用于农业，合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，称为“化肥氨”（约占70%）；同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30 %，称为“工业氨”。未来合成氨技术进展的主要趋势是大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行。

20世纪初，德国的研究者哈伯和博施首次成功地大量生产氨，哈伯-博施(Haber-Bosch) 合成法也由于简便并且效率比较高，现在也基本上没有改变地被使用，但由于该法是在高温、高压条件下进行合成，因此能源消耗和设备规模大，并且通过烃的水蒸气重整得到氢气时，存在排放大量二氧化碳（CO₂）的问题。

作为氨合成的氢源，以往使用天然气等化石燃料作为合成原料的氢源，因此，会产生因化石燃料的上涨导致氨的制备成本上升的问题，也会产生因二氧化碳（CO₂）的排放导致环境负荷的问题，因此利用一种清洁、易得的原材料合成氨，并且不产生其他有害物质的方法，一直是本领域技术人员所追求的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用氮气和水合成氨的方法，具体操作步骤如下：通过水蒸气发生器产生水气，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50~1000mL/min的流量通入等离子体发生器，离子体发生器的功率为1~6kW，经过10~180min合成氨。

所述等离子体发生器为电晕放电等离子体发生器、介质阻挡放电等离子体发生器、射频放电等离子体发生器或微波诱导放电等离子体发生器，均为低能耗器。

本发明合成氨所用原料或装置包括：氮气源1、水蒸气发生器2、等离子体发生器3、气象色谱仪4、氨气收集器5，其中温控仪6用于使管路温度与水蒸气发生器温度保持一致，等离子体发生器3为电晕放电等离子体发生器、介质阻挡放电等离子体发生器、射频放电等离子体发生器或微波诱导放电等离子体发生器。

本发明的有益效果：

（1）本发明合成氨的工艺过程中，不存在额外的制氢过程，直接将氮气和水气在等离子体作用下合成氨，而过程中水中的氧被自由基化、离子化会在收集氨的过程中会附着在管道上或器壁上，随时间推进与空气反应消逝。

（2）本发明使用等离子体使氮气和水直接生成氨，无有害副产物生成。

（3）本发明合成方法操作简单，不需要高压、低压等苛刻条件，常压下即可制得，而且原材料氮气和水廉价易得，易实现工业化应用，在较低能耗下也具有较好的氨产率。

附图说明

图1本发明的流程图；

图2本发明实施例1合成氨的产率曲线；

图3本发明实施例2合成氨的产率曲线；

图中，1-氮气源、2-水蒸气发生器、3-等离子体发生器、4-气象色谱、5-氨气收集器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明，但本发明保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法，具体操作步骤如下：将水加入到水蒸气发生器2中，产生水气，水气与氮气源1中的氮气按照体积比1：1的比例混合，保持混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致，都是100℃，然后将混合气以50mL/min的流量通入到等离子发生器3中，其中等离子体发射器3为介质阻挡放电等离子体发生器，介质阻挡放电等离子体发生器的功率为1kW，经过180min的放电，经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线如图1所示，从图中可知随着时间的推移，氨气的浓度逐渐增加，且测得所得气体中没有检测到氧气，并通过氨气收集器5收集氨气。

实施例2

本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法，具体操作步骤如下：将水加入到水蒸气发生器2中，产生水气，水气与氮气源1中的氮气按照体积比1：99的比例混合，混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致，都是10℃，然后将混合气以1000mL/min的流量通入到等离子发生器3中，其中等离子体发射器3为微波诱导放电等离子体发生器，微波诱导放电等离子体发生器的功率为6kW，经过180min的放电，经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线如图2所示，从图中可知随着时间的推移，氨气的浓度逐渐增加，且测得所得气体中没有检测到氧气，并通过氨气收集器5收集氨气。

实施例3

本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法，具体操作步骤如下：将水加入到水蒸气发生器2中，产生水气，水气与氮气源1中的氮气按照体积比1：10的比例混合，混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致，都是50℃，然后将混合气以200mL/min的流量通入到等离子发生器3中，其中等离子体发射器3为射频放电等离子体发生器，射频放电等离子体发生器的功率为4kW，经过10min的放电，经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线，可知随着时间的推移，氨气的浓度逐渐增加，且测得所得气体中没有检测到氧气，并通过氨气收集器5收集氨气。

实施例4

本实施例所述利用氮气和水合成氨的方法，具体操作步骤如下：将水加入到水蒸气发生器2中，产生水气，水气与氮气源1中的氮气按照体积比1：40的比例混合，混合气的温度与水蒸气发生器2的温度一致，都是80℃，然后将混合气以600mL/min的流量通入到等离子发生器3中，其中等离子体发射器3为电晕放电等离子体发生器，电晕放电等离子体发生器的功率为5kW，经过90min的放电，经过气象色谱仪4测得氨的产率曲线，可知随着时间的推移，氨的浓度逐渐增加，且测得所得气体中没有检测到氧气，并通过氨气收集器5收集氨气。