RS56365B1 - Energetski efikasan postupak proizvodnje azot monoksida - Google Patents

Description

Oblast pronalaska

Predmetni pronalazak odnosi se na postupak za dobijanje NO gasa od protočnog vazduha ili vazduha obogaćenog kiseonikom, pomeranjem električnog luka kroz vazduh u strujanju koristeći magnetno polje i AC ili DC struje, u reaktoru. Postupak se može izvesti u reaktoru u čiji sastav ulaze električni luk i deo sa plazmenim diskom i razmenjivač toplote.

Stanje tehnike

Industrijsku fiksaciju (vezivanje) azota na početku 20<th>veka, kao šest tehnologija različitih principa opisali su J.W. Mellor, Inorganic and theoretical chemistry, "The fixation of atmospheric nitrogen" p.366: (1) Fixation of nitrogen with oxygen in an electric arc plasma reactor. Birkeland-Eyde (B-E) and Schönherr; (2) The Calcium Cyanamid process. Reakcija preko kalcijum karbida. Frank-Caro; (3) The Barium Cyanide process. Jednostepena reakcija sa ugljenikom i azotom; (4) Fixation of nitrogen with hydrogen on an iron catalyst. Haber-Bosch; (5) Absorption of nitrogen in metal with a reaction to ammonia when exposed to water; i (6) Nitrogen fixation in general combustion processes.

U industrijskom razvoju, prva četiri postupka su dominantna i neko vreme su se sâmi nadmetali za dominaciju. U prvom postupku, dat je proces/postupak koji uključuje električni luk, reaguju azot i kiseonik prema reakciji:

N2+ O2= 2NO ΔHf= 6.4 GJ/tN

Razvoj postupka dobijanja amonijaka obuhvatio je reakciju azota sa vodonikom iz vode i vazduhom:

II 3H2O(I) = 3H2(g) 1.5O2(g) ΔHf= 30,61 GJ/tN

III N2(g) 3H2(g) = 2NH3(I) ΔHf= -5,77 GJ/tN

IV = 3H2O(I) N2(g) = 1.5O2(g) 2NH3(I) ΔHf= 24,84 GJ/tN Najkonkurentniji način za dobijanje amonijaka danas je putem parnog reformiranja metana, gde stehiometrijski minimum je 18 GJ/tNH3, a najbolja praksa u industriji je 27-30GJ/tNH3što odgovara 33-35GJ/tN. U ovom postupku, pogodno je to što je vodonik takođe dolazi iz izvora energije.

Prva proizvodnja na veliko gde je inicijatvino korišćen električni luk izvela je kompanija "Atmospheric Air Products Company" na Nijagarinim vodopadima. Postupaks je bio bezuspešan zbog dobijanja proizvoda u prinosu koji je bio niži od očekivanog i visoke cene energije i obustavljen je ubrzo po završetku probnog perioda.

Prva direktna fiksacija azota koja je značajno doprinela globalnom tržištu đubriva (gnojiva) je postupak koji su razvili Birkeland-Eyde. Osnovan je "Norsk Hydroelektrisk Kvelstoff Aksjeselskap" kako bi se industrijalizovao ovaj postupak.

B-E postupak se potpuno razlikuje od drugih postupaka po načinu kontrolisanja intenziteta električnog luka pomoću magnetnog polja.Električni luk je oblikovan u dvodimenzionalni disk. Vazduh je dovođen u plazma disk normalno kroz keramičke ploče sa perforacijom na obe strane diska. Vazduh je zatim radijalno izlazio u spoljašnju kružnu cev za sakupljanje. B-E proces je bio lakši za prelazak na industrijsku proizvodnju, početak, izvođenje i kontrolu u odnosu na druge procese.

Schönherr –ov proces koji je razvio BASF, podrazumeva električni luk u reaktoru u obliku cevi sa regeneracijom toplote od rekuperatornog zimenjivača toplote između dovodnih gasova i proizvoda. Reaktor u obliku cevi je imao bolji potencijal za rad pod visokim pritiskom. Schönherr reaktori su takođe instalirani u Notodden-u.

U porocesu sa električnim lukom, izračunato je da temperatura luka iznosi između 3000 i 4000 K. Prinos je normalno opisan kao procenat NO dobijen u izlaznom vazduhu i iznosio je od 1% do 2%.

Globalno istraživanje sa nekoliko vrsta reaktora za proizvodnju na malo, dala je više prinose, ali većina pokušaja srazmernog povećanja proizvodnje i povećanja kapaciteta razmera nije ispunila očekivanja.

Potrošnja energije za B-E proces opisana je kao kgHNO3/ kilovata godišnje. Potrošnja energije od 3200 K iznosila je 285 kgHNO3/ kilovata godišnje, i ovo odgovara 474 GJ/tN. Ovo uključuje sve industrijske gubitke. Rektori su se pokazali kao bolji kada su radili u kraćim periodima uz pažljivo nadgledanje. Punjenje po reaktoru takođe je imalo značajan efekat na potrošnju energije. Velika potrošnja energije objašenjena je okvirima datim za reakciju:

• Visoka reakciona temperatura, 3000-4000 K je potrebna za disocijaciju azota.

• Maksimalan prinos je 2% NO u vazduhu, što znači da je najveći deo energije upotrebljen za zagrevanje vazduha.

• Nije se pristupilo regeneraciji toplote zbog esktremnih temperatura i niske vrednosti otpadne energije.

Potencijal poboljšanja je bio značajan i dokumentovan u naučnom okruženju. Postignuta je saglasnost o tome kako značajno poboljšati proces i to:

• Poznato je da izvođenjem procesa na višem pritisku dobija se viši prinos NO. Izazov je međutim bio pronaći materijale koji mogu da podnesu pritisak i temperaturu.

• Korišćenje katalizatora za sniženje potrebne temperature za cepanje molekula N2.

Sledeća tri norveška patenta su podržala inicijalno industrijsko izvođenje i razvoj i definišu osnovne karakteristike procesa sa električnim lukom.

Norveški patent 12961 od 20 februara 1903 je originalan Birkeland-ov postupak gde je električni luk oblikovan kao disk pomoću magnetnog polja i naizmenične struje. U ovom patentnu nisu dati rezultati izvođenja, ali industrijskim procesom dobijeno je 1-2% NO uz značajnu potrošnju energije od 300-500 GJ/tN.

Norveški patent 20487 od 22 jula, 1908 od BASF-a, opisuje da hlađenjem plazme direktnim kontaktom, može se postići prinos od 9.5% do 14%.

Kontaktno hlađenje postiže se sniženjem pritiska radi povećanja zapremine i spoljašnje površine plazme. Objavljena potrošnja energije iznosila je 90g HNO3/kWh = 8.8 GJ/tN. Patent je upućivao na Journal of chemical Soc.1897, vol 71, page 181 i navodi da sniženje samo pritiska nema nezavisan efekat na prinos. Patent dalje navodi da je viši pritisak bolji za konverziju u NO, ali da je potreban nizak pritisak za hlađenje direktnim kontaktom i za ublažavanje raspadanja NO.

Norveški patent 19862 od 9 jula 1909, od BASF-a, navodi da je koristeći anodu u obliku cevi koja se hladi vazduhom, moguće proizvesti hladnu plazmu. Patent navodi da je normalan do neznatno snižen pritisak potreban da se snizi temperatura anode i dobije plazma.

Sledeća generacija patenata fokusirala se na poboljšanju pojedinačnih i inicijalnih karakteristika sa različitim praktičnim rešenjima.

Švajcarski patent 105135 od aprila 5, 1917 opisuje upotrebu nekoliko električnih lukova postavljenih tako da daju kontinualni luk plazme koja se dalje hladi samo spoljašnjim gasovicma ili gasovima koji sadrže čvrste čestice. Nema podataka o učinku.

Britanski patent 159709 od 10 marta 1921 opisuje postupak primene magnetnih polja za oblikovanje električnog luka u obliku mlaznice. Nema podataka o učinku.

US patent 1,902,384 od 21marta 1933 opisuje postupak oblikovanja luka plazme pomoću magnetnog polja bez izmene struje. Nema podataka o učinku.

US patent 2,485,476 od oktobra 1949 opisuje postupak kombinovanja elektroda visokog i niskog potencijala koje rade ciklično. Efekat je takav da se kroz podešavanja talasne dužine može optimizirati prinos. Jedan zahtev takođe pokriva rad na pola atmosfere. Dobijeni rezultati kreću se u opesgu od 30 do 120gHNO3, što odgovara 135 do 540 GJ/tN.

Britanski patent 700,801 od 9 decembra 1953 opisuje postupak u kojem su dobijene dve faze plazme, jedna koja proizvodi negativne jone i druga koja proizvodi pozitivne jone, visoko frekventnom izmenom električnog polja.

Mešanje i ekstrakcija smeše iz zone plazme dalje umanjuje raspadanje formiaanih oksida. Podaci o izvedbi, ukupan učinak 14,5-115gHNO3/kwh i neto učinak 100-300gHNO3/kwh.

Britanski patent 915,771 od 16 januara 1963 opisje izvođenje sa viškom 400mmHg, primenjujući naizmenično električno polje radio frekvnecije, proizvodeći hladnu plazmu. Proces je takođe primenjen na različite procese. Nema podataka o radu na 400mmHg za NO. Objavljeno je da se rad izvodi na 1 atm, 0.3% do 5% NO izveden uz potrošnju energije od 16-68gHNO3/kwh. US Patent 3,439,196 od 15 aprila 1969 i US Patent 3,471,723 od 7 oktobra 1969 opisuju konceptualno potpun industrijski postupak proizvodnje azotne kiseline baziran na poboljšanom postupku za dovod energije i regeneraciju iste u magnetohidrodinamičkom generatoru. Postupak je izveden na pritisku iznad atmosferskog. Nema dokumentovanih rezultata u patentima.

US Patent 3,666,408 od 30 maja1972 opisuje postupak u kojem je dobijena plazma kiseonika i azota i ekspandirana u zonu mešanja. Patent je nadomestio US Patent 805,069 od 27 decembra 1968 i US Pat 639,880 od 19 maja 1967. Primenjen odnos ekspanzije iznosi od 30:1 do 200: 1. Najniža potrošnja energije objavljena za ovaj postupak iznosi 2000-3000 BTU/Ib tretiranog gasa, što odgovara od 86 do 130 GJ/tN. Čini se da dodatna potrošnja energije za razdvajanje i kompresiju vazduha čine ovaj postupak neprihvatljivim uz neminovnu potrošnju energije.

US Patent 4,267,027 od 12 maja 1981 opisuje postupak za dobijanje oksida azota gašenjem plazme dobijene u nespecifičnom gorioniku plazme. Gašenje se sastoji od površine katalizatora hlađena spoljašnjim kalemom. Nema dokumentovanih rezultata u patentu.

US Patent 4,705,670 od 10 decembra 1987 opisuje princip raspodele mikropražnjenja preko električno provodljive tečnosti, gde se formirani NO apsorbuje u tečnosti. Nema dokumentovanih rezultata u patentu.

US Patent 4,877,589 od 31 oktobra 1989 opisuje postupak u kojem se električni luk nalazi unutar sloja katalizatora, gde katalizator čine različite vrste materijala koji su otporni na visoke temperature. Opisani efekti štite od ultraviolentnog svetla, stvaranja turbulencije i raspodele toplote. Nema dokumentovanih rezultata u patentu.

US Patent 4,833,293 od 23 maja 1989 opisuje električni plazma azotni reaktor sa sa nekom vrstom prinsipa prenosa toplote. Princip se sastoji od principa skladištenja toplotne energije pomoću šljunka kombinovan sa prinscipom pulsirajućeg povratnog toka. Nema dokumentovanih rezultata u patentu.

Tri najstarija konceptualna patenta su norveški patenti 12961, 20487 i 19862 iz perioda 1903-1909. Ovi patentni potiču od dve kompanije koje su doprinele industrijskoj realiazaciji tehnologije električnog luka. Ova tri patenta opisuje sa ograničenim detaljima dva nezavisna efekta.

NO12961 opisuje upotrebu magnetnog polja za povešanje površine i kontaktne faze između luka i vazduha tako što se oslobađa velika količina energije u veliku zapreminu vazduha.

NO20487 opisuje primenu niskog pritiska za smanjenje intenziteta energije i temperature plazme da bi se omogućilo kontaktni hlađenje samog luka.

Patent upućuje na Journal of chemical Soc.1897, vol 71, str.181 i navodi da samo snižemnje pritisa nema nezavisan efekat na prinos.

NO 19862 opisuje primenu sniženog pritiska na sniženje intenziteta energije i temperature. Opisano je da je prinos veći pod višim pritiskom. Jedino rešenje je hlađenje luka i elektrode prolaskom vazduha kroz šuplje elektrode.

Stanje tehnike je fokusirano na rešavanje izazova koje postavljaju materijali i temperatura, i mogu se grupisati kao:

• Primena magnetnog polja za pomeranje luka kroz vazduh kako bi se dobila velika zapremina plazme sa niskom temperaturom.

• Povećanje pritiska za dobijanje NO u većem prinosu.

• Sniženje pritiska radi ekspanzije luka i zapremine plazme u cilju postizanja niže temperature.

• Gašenje mešanjem sa vazduhom, rasprskavanjem vode ili sa gasom sa čvrstim česticama radi dobijanja hladnije plazme.

• Hlađenje direktnim kontaktom u hladnjaku.

Stanje tehnike je dovelo do značajnog poboljšanja prinosa i efikasnosti energije u odnosu na prvu odobrenu tehnologiju iz 1900-1910. Cepanje atoma azota zahteva visoke temperature i energiju velikog intenziteta. Visoka temperatura je izazov za materijale koji sadrže luk i plazmu i hlade ih.

Izazov je bio osmisliti proces u kojem visoka temperatura luka može da rascepi visoke frakcije molekula azota i u kojem se nastala plazma može stabilizovati i ohladiti bez oštećenja materijala.

Termodinamičke osobine reaktanata i reakcionih proizvoda predstavljali su prepreku za dalji razvoj procesa.

Primenom Gibbs –ove slobodne energije i Arrhenius-a za pronalaženje ravnoteže jednačine I, I N2+ O2= 2NO, ΔGfza NO = 86.55kJ/mol dobija se da na 3500K ravnotežna koncetracija NO iznosi samo 2.0%. Temperatura je povećana na 9000K pre nego koncentracija NO dostigne 10%. Zagrevanje vazduha od 2000 do 3000K odgovara uptrošku energije od 200-360 GJ/tN. Ovo je dovoljno da odvrati većinu hemičara da veruju da je ovaj proces izvodljiv. Ovo je takođe razlog zašto su odbačeni neki patenti i koncepti.

Kratak opis pronalaska

Opisan pronalazak je energetski efikasan postupak za dobijanje NO iz vazduha ili vazduha obogaćenog kiseonikom. U pronalasku se koristi električni luk koji je oblikovan i kontrolisan pomoću magnernog polja. Svrha magnetnog polja je da pomeri električni luk kroz vazduh i poveća brzinu plazmi produži put, što daje smešu jonizovanog i disosovanog vazduha. Mogu se primeniti obe struje i naizmenična (AC) i jednosmerna (DC) . AC će davati naizmenična pomeranja u suprotnim smerovima. Postupak je odvija na pritisku nižem od atmosferskog. Ovime se povećava disocijacija u plazmi i smanjuje brzina raspadanja formiranog NO. U postupku se takođe može primeniti direktan protok relativno hladnog vazduha za korak gašenja plazme, pre kontaktnog hlađenja plazme u protočnom toplotnom razmenjivaču.

Izmena toplote odvija se zimeđu dovoda u reaktor i izlaza (proizvoda) iz reaktora. U postpku može se vezati azot iz vazduha uz potrošnju energije od 30GJ/toni N ili nižu, zavisno od primenjenih principa regeneracije energije.

Ovaj postupak se može izvesti u reaktoru u kojem se nalazi deo sa lukom i plazma diskom i deo sa razmenjivačem toplote.

Detaljan opis pronalaska

Predmetni pronalazak odnosi se na postupak za dobijanje NO gasa iz struje vazduha ili iz vazduha obogaćenog kiseonikom, pomoću električnog luka koji se kreće kroz struju vazduha pomoću magnetnog polja i naizmenične (AC) ili jednosmerne (DC) struje u reaktoru pod pritiskom ispod 1 bara, pri čemu je temperatura u postojećem luku podešena tako da se kreće u opsegu od 3000 do 5000 Kelvin, i gde protočni vazduh ugašen pomoću finih kapi vode u spreju ushodno ili neposredno nishodno u odnosu na luk , viška vazduha ili obilaznog vazduha tako da se dobije stabilna plazma koja sadrži NO temperature ispod 2000 Kelvina.

U realizaciji ovog postupka, pritisak iznosi 0.1-1 bar, bolje 0.2-0.8 bara, a još bolje oko 0.5 bara.

U narednoj realizaciji postupka, temperatura u izlaznom luku je podešena na između 3500 i 4700 Kelvina.

U sledećoj realizaciji postupka, struja vazduha je ugašen finim kapljicama vode u spreju ushodno ili neposredno nishodno od luka, viška vazduha ili ozbilaznog vazduha radi dobijanja stablne plazme koja sadrži NO temeprature ispod 1500 Kelvina.

U sledećoj realizaciji postupka, reaktor čine luk i plazma disk.

U narednoj realizaciji postupka, luk i plazma disk reaktor sadrže razmenjivač toplote, u cilju smanjenja vremena boravka i za kombinovanje dobijenog gasa i predgrevanje dovodnog gasa.

U sledećoj realizaciji postupka, razmenjivač toplote tipa cevi za omotačem (cev u cevi).

U narednoj realizaciji postupka, razmenjivač toplote je protočni razmenjivač toplote.

U narednoj realizaciji postupka, vreme boravka je dalje skraćeno korišćenjem kraja cevi za razmenu toplote kao anodu za konsusne rotirajuće lukove plazme sa odgovarajućim katodama postavljenim na suprotnim strana svake cevi.

U sledećoj realizaciji postupka, veme boravka je svedeno na 0.1 sekundu za postizanje 8 % zapreminskih NO, a bolje na manje od 0.001 sekunde za postizanje 12 % zapreminskih NO.

Predmetni postupak se može izvesti u reaktoru koji sadrži deo sa lukom i plazma diskom uz gašenje vodenim sprejom i delom sa razmenjivačem topote.

U realizaciji reaktora, razmenjivač toplote je razmenjivač toplote tipa cevi sa omotačem (cev u cevi).

U narednoj realizaciji reaktora, razmenjivač toplote je protočni razmenjivač toplote.

Reaktor se takođe može opisati kao luk i plazma disk reaktor koji sadrži razmenjivač toplote.

Predmetni pronalazak baziran je na opsežnom ispitivanju i obrnutog (povratnog) inženjeringa Birkeland Eyde procesa zasnovanog na fizičkoj inspekciji reaktora, istorijski dokumenata i opisa postupka izloženog u muzeju Notodden u norveškoj. Ovo je pronalazaču omogućilo nova shvatanja BE procesa i novu osnovu za tumačenje rezultata i mehanizama potrebnih da bi se dobio pravi prinos i dokumentovao utrošak energije. Nova shvatanja i izvedeni modeli, su pokazali se sposobni da simuliraju rezultate i zapažanja iz stvarnog procesa.

Novo saznanje iz stanja tehnike obuhvata sledeće kombinacije unosa energije u proces za nabolji rad rekatora pod visokim opterećenjem od 1MW:

Činjenica da temperatura na izlazu reaktora the reactor iznosi samo 975 Kelvina i merena temperatura luka i reaktora se kreće u opsegu od 3200 Kelvina može se objasniti prirodnom reaktora električnog luka. U reaktoru samo frakcija celokupnog gasa koja prolazi je direktno zagrevana pomoću luka i iz njega izlazi . Glavni deo vazduha deluje kao smeša za gašenje snižavajući temperaturu vazduha u luku sa 3200K na mešanu plazmu od 975K.

Kratak opis slika

Slike 1 i 2 objašnjavaju kako magnetno polje pomera luk kroz plazmu i vazduh.

Slika 3 prikazuje opis postupka sa brojevima toka gasova iz tabele 2.

Slika 4 prikazuje kako razmenjivač toplote cev u cevi pretgreva ulazni vazduh i hlađenje dobijenog gasa na plazma disku kao što je prikazano na Slikama 1 i 2.

Slika 5 prikazuje kako se luk plazme može postaviti kod svake cevi toplotnog izmenjivača ai kako dovod dodatnog gasa za dodatno gašeni vaduh i katode su postavljene na suprotnim stranama.

Slika 6 prikazuje kako su reaktor i razmenjivač toplote kombinovani u jednu jedinicu.

Objašnjenja brojeva korišćenih na slikama i u tableama:

(1) (1.1) do (1.7) su električni lukovi i gas dobijen dikretno pomoću električnog luka.

(2) magnetno polje.

(3) (3.1) & (3.2su elektrode.

(4) magnetni polovi.

(5) dovod vazduha.

(6) dovodni vazduh struji kroz električni luk.

(7) mlaznica koja u mlazu izbacuje predgrejan dovodni vazduh u luk i zonu plazme (1).

(8) gasna smeša vazduha koja prolazi kroz luk i gašenje dodatnom količinom vazduha ili vode pre regenracije toplore.

(9) izlaz za gas.

(10) regeneracija toplote u obliku pare iz izlaza za gas (9).

(11) dodatno gašenje vazduha, zaobilazeći električni luk.

(12) gubitak topote elektroda od hlađenja koja se može regenerisati kao para ili vruća voda.

(13) jedinica za regeneraciju topote za dobijanje pare od energije u izlazu za gas.

(14) gubitak toplote u okolinu

(15) reaktor.

(16) razmenjivač toplote.

Definicije:

Slika 1 prikazuje princip kako su magnetni polovi (4) postavljeni normlno na luk plazmenog diska (1). Elektrode (3.1) i (3.2) se približavaju jedna drugoj u centru horizontalnog dela plazme. Magnetno polje (2) je vertikano u odnosu na plazmeni disk.

Slika 2 pokazuje incijaciju luka (1.1) i kako ga agnetno polje povlači ka spolja (1.2), (1.3) i (1.4), pre nego što električni potencijal dostigno dovoljno visoku vrednost z inicijaciju novog luka (1.5). Kad se smer struje promeni, luk se povlači na suprotonu stranu (1.6) i (1.7). Nema promene smera magnetnog polja. Luk se može pomerati brzinom zvuka od centra ka spoljašnjoj periferiji i može se pomerati nekoliko puta u jednom smeru pre nego što dođe do promene smera struje.

Da bi napravili numeričku simulaciju postupka, ustanovljena je pseudo ravnoteža za uslove u samom luku.

Ravnoteža se sastoji od kombinacije disocijacije vrsta:

V N2= 2N

VI O2= 2O

VII NO = O N

Model ravnoteže je modifikovan Arrhenius-om sa Gibbs –ovom slobodnom energijom iz literature. Model je usaglašen u odnosu na poznate eksperimentaleu i industrijske podatke.

Tabela 1: Tabela 1 pokazuje simulaciju ravnotežnog stanja u samom luku, primenom pseudo ravnoteže na datoj temperaturi i pritisku luka . rezultati prikazuju neophodnu disocijaciju u luku kako bi se dobilo 1-2% NO u relativno hladnoj plazmi ili izlaznom gasu.

Model obuhvata razlaganje NO formiranog kao funkcija temperature i vremena boravka posle električnog luka. Model je potvrdio tvrdnje iz stanja tehnike kao i opšta naučna saznanja da bi visok pritisak dao veći prinos NO, Ref. Tabela 1 Visok pritisak u primeru 8 i Tabela 2 u primeru 8.

Na osnovu ovog, očekivano je da će sniženjem pritiska dobiti niži prinos NO. Međutim, na iznaneđenje pronalazača, prema modelu dobijen je viši prinos pri pritisku koji je niži od atmosferskog.

Modeli su potrvdili da luk sadrži više frakcija N* (reaktivnih atoma azota) i O* (reaktivnih atoma kiseonika) nego što daje Gibbs-va ravnoteža bazirana na normalnoj termodinamici. U gašenju pomoću smeše hladnog vazduha ili kontaktnim hlađenjem, reakcije ravnoteže su suviše spore i prevaziđene statističkom verovatnoćom za rekombinaciju u NO u odnosu na N2i O2.

Prilikom sniženja pritiska ovaj efekat je dodatno poboljšan. Prema Le Chatliers –ovom principu disocijacija je veća pri nižem pritisku. Prilikom razvoja postupka i korelacije modela za svaku jedinicu operacije, postalo je očigledo da odvijanje postupka na pritisku nižem od atmosferskog obezbeđuje značajnu korist u pogledu ukupne potrošnje energije.

Referentni primeri pod atmosferskim uslovimadali su nepoželjan utrošak energije od 250-450 GJ/tN. Prikazani model i testovi često su pokazali manje od 2% NO u izlaznom gasu, što je takođe potvrđeno operativnim rezultatima. Kada je prinos NO povećan sa 2% na 10% potrošnja energije po toni N2konvertrovanog u NO, snižena je za 80%

Teorijski i praktično je moguće dobiti više od 12% NO u izlaznom gasu, ali 12% je optimalna vrednost kada je dovodni gas, vazduh. Ostatak kiseonika je potreban za dobijanje HNO3kao u normalnom postupku dobijanja azotne kiseline.

Takođe je moguće odvojiti azot od kiseonika i menjati koncentracije. Ovo daje ograničavajući efekat i troškovi energije za izvođenje separacije vazuduha, engl. ASU, obično iznose 5-10 GJ/tN po jedinici, što je više nego što je dobijeno kroz viši prinos.

Slika 3 je pojednostavljen procesni protokol za ključne parametre za postupak i energetsku efikasnost. Dovodni vazduh (5) ulazi u reaktor u delu gde se luk (1) pomera u zoni plazme. Pored toga, dovodoni vazduh (6) je jonizovan, ekscitovan i zagrejan na 3000-5000K direktno električnim lukom (1). Ostatak dovodnog vazduha (11) je propušten kroz reaktor izvan luka i pomešan sa zagrevanim vazduhom (6). Pomešani gas (8) je smeša izlaznog vazduha (6) i vazduha koji struji (prolazi) (11). Hlađenje elektroda predstavlja moguć gubitak energije (12) koja se može regenerisati kao vrela voda ili vodena para. Regenracija enetije (10) iz izlaza za mešani glas (8) može se izvesti u parnom kotlu (13) ili predgrevanjem dovodnog gasa. Gubitak toplote u okolinu je protočan (14). Tabela 1 upućuje na iste brojeve za protok gasa kao na slici 3.

Da bi se testirala ukupna energetska efikasnost, postavljen i simuliran postupak kao prema slici 3. Rezultati za raličite primere opisani su u tabeli 2.

Objašnjenja kolona u Tabeli 1:

[0076]

P je vrednost radnog pritiska za reaktor.

5, 6, 8 i 9 predstavljaju temperature postpuka sa pozivanjem na tok postupka sa Slike 3.

NO predstavlja vrednost koliko NO analizirano u izlaznom gasu Regeneracija % predstavlja vrednost koliko je ekstrahovane energije regenerisano ili koliko je umanjenje gubitka. Efikasnost nije primenjljiva za energiju kompresije.

Cpr = energija kompresije koja je izračunata sa 80% adijabatske efikasnosti i 25% regeneracije energije u ekspanzionom sudu ili usisnoj turbin, u suprotnom bez regeneracije.

Gubitak energije u okolinu je gubitak toplote sa površine reaktora i povezanih cevi. Umanjenje gubitka je moguće boljim izolovanjem vs. originalno rešenje dizajn.

Gubitak energije na elektrodama potiče od hlađenja elektroda. Ovaj gubitak može se umanjiti korišćenjem proizvedene pare i/ili pronalaženjem bolje materijala za elektrode ili konstrukcijom anode koja bi se hladila dovodnim gasom.

Gubitak energije u izlaznom gasu je energija u gasu nakon gašenja. Ona se može regenerisati u kotlu kao što je dato u originalom rešenju, ali nije pripisano procesu.

Objašnjenja brojeva u redovima u Tabeli 1 pokazuju rezultate različitih simulacija:

1 Stanje tehnike, referentni primer prema izveštajima o celokupnoj proizvodnji sa parametrima. Regeneracija toplote od 0% znači da nema realnih osnova za proizvodnju pare iz gasa. Napominjemo takođe da (9) je 975 K što znači da nema regeneracije toplote iz izlaznog gasa i da je veliko razlaganje NO dajući samo 0.8% NO u izlaznom gasu.

2 Stanje tehnike, refereni primer sa 100% regeneracije energije za potvrdu toplotnog balansa. Izlazna temperatura (9) je snižena na 300K regenerišući celokupnu energiju.6.4 GJ/tN je dHfza dobijanje NO od N2i O2. Prinos NO je poboljšan na 1.6% usled hlađenja. Ovo je takođe i razlog sniženja potrošnje energije u odnosu na prethodni slučaj.

3 Stanje tehnike, referentni primer sa regeneracijom toplote od 75%.

Značajno poboljšanje, ali i dalje daleko od toga da je konkurentan. Glavni razlog je niski prinos NO.

4 Pronalazak, primenjen pritisak od 0.2 bara. Ovim se dobija veća disocijacija N2, ref Table 1. Viši konačni prinos od 2.2% NO, umanjenje spoecifičnog efekta gubitka.

5 Pronalazak, primenjena temperatura luka od 4500K pri pritisku od 0.2 bara. Ovim dolazi čak do veće disocijacije N2, ref Tabela 1 i značajno bolje energetske efikasnosti budući da je konačan prinos NO povećan na 7.5%

6 Pronalazak, prikazuje efekat hlađenja na nižu krajnju temperaturu. Ovo je uglavnom efekat regeneracije energije, međutim i prinos je takođe poboljšan kroz unapređeno hlađenje.

7 Pronalazak, isto kao pod 6, ali uz efekat povećanja pritiska na 0.5 bar. Niži prinos je doveo da niže specifične energije kmpresije. Manja disocijacija ref Tabela1, je povećala specifičnu potrošnju energije.

8 Studija slučaja opšteg saznanja o radu pri pritisku na 5 bara. Efekat je pozitivan međutim pritisak od 5 bara je manje povoljan od podpritiska od 0.2 bar = 0.8 bara.

9 Studija slučaja povećanja temperature na 5500 K. Konačni prinos ovog postupka nije povećan čak i ako je veća disocijacija, ref. Tabela 1. Razlaganje NO dejstvom toplote je suviše veliko i dodatni unos energije daje veću specifičnu potrošnju energije.

[0078] Simulacije dalje pokazuju da sa vremenom boravka ispod 0.001 sekunde, može se postići 12% NO u vazduhu uz potreošnju energije od 21 GJ/tN. Sledeći uslovi su realni za normalne visokotemperaturne materijale od legura i a male reaktore:

[0079] Oprema potrebna za projektovanje i izvođenje ovakvog postupka može se stanoviti primenom poznatih principa za rad jedinica, dok se obezbeđuje geometrijski dizajn koji ispunjava simuliranu turbulenciju i vreme boravka. Dimenzije celokupnog postupka koji se izvodi u Notodden i Rjukan u Norveškoj su optimizovane, ali snaga od 2 MW po reaktorskoj jedinici prečnika 1 metar potvrđuje da je proces industrijski izvediv.

[0080] Predmetni pronalazak bezbeđuje proces u kojem vazduh struji normalno u plazma disk električnog luka i iz njega. Ovim se značajno skraćuje vreme boravka i povećava mešanje i turbulencija u odnosu na stanje tehnike.

[0081] Slika 4 pokazuje princip kako se gasovi mogu prethodno zagrejati i ohladiti u protočnom razmenjivaču toplote (16). Izmena toplote osigurava potrebu za nižim energetskim zahtevima kako bi se dostigli optimalni uslovi plazme. Dotok vazduha (5) prolazi kroz cevi za razmenu toplote (16). Cevi su opremljene mlaznicama (7) otpornim na toplotu, za pad pritiska i mlazni dovod vazduha u reaktor (15) u kojem električni luk (1) greje vazduh koji prolazi kroz njega. Gas koji napušta električni luk (8) je ugašen prskanjem vode koja dolazi mlaznice sa vodom za hlađenje (11.2) i/ili je pomešan sa dovodnim vazduhom (11.1) koji ne prolazi kroz električni luk (1). Izlazni gas (9) na spoljnjoj strani razmanjivača toplote (16) hlađen je dovodnim vazduhom (5) sa strane cevi. Magnetno polje se prostire paralelno sa cevima po njihovoj dužini.

[0082] Slika 5 prikazuje princip dodatnog poboljšanja korišćenjem rotacionih konusnih električnih plazma lukova (1) na svakoj cevi. Cevi su anode (3.1) i katode (3.2) postacljene na suprot krajevima anode. U ovom slučaju struja može biti jednosmerna struja tj.DC. Dovod vazduha (5) ulazi kroz cevi razmenjivača toplote (16) i proizvedeni gas (9) napušta spolajnju oplatu razmenjivača toplote (16). Gas za gašenje po izboru može da sadrži fino raspršene kapi vode (11) ulazi sa strane katode i meša se plazma likom (1) pri čemu se formira hladnija stabilna plazma (8), koja se dalje hladi u spoljašnjoj opati razmenjivač toplote (16) pri čemu da postaje proizvedeni gas (9). Električni luk (1) rotira u plazmi. Magnetno polje prostire se pararelno sa dužinom cevi. U ovom slučaju hlađenje anode nije potrebno, a poželjno je da je cev izrađena od bakra.

[0083] Slika 6 prikazuje kako su reaktor i izmenjivač toplote kombinovani u jednu jedinicu. U toprlotnom razmenjivaču dovodni vazduh (5) je pregrejan, a izlazni gas (9) je hlađen. Reaktor (15) sadrži električni luk (1) i zonu mešane plazme (8). Dovodni vazduh (5) ulazi sa strane u cev toplotnog razmenjivača (16) pre nego što se kroz mlaznice (7) u mlazu ubacuje u reaktor. U reaktoru (15) vazduh je pomešan i zagrevan lukom (1) pre nego što smeša napusti spoljašnju oplatu toplotnog razmenjivača (16) u izlaz (9).

Claims (10)

Patentni zahtevi

1. Postupak za dobijanje NO gasa od protočnog vazduha ili vazduha obogaćenog kiseonikom, kretanjem električnog luka kroz protočni vazduh pomoću magnetnog polja i AC ili DC struja, u reaktoru, pri čemu je primenjen pritisak niži od 1 bara, a temperatura u izlaznom luku je podešena da bude u opsegu od ok 3000 do 5000 Kelvin, i pri čemu je protočni vazduh ugašen raspršivanjem finih kapljica vode nizvodono ili neposredno uzvodno od luka, višak dovoda vazduha ili vazduha koji zaobilazi luk, za dobijanje stabilne plazme koja ne sadrži NO sa temperaturom ispod 2000 Kelvina.

2. Postupak prema zahtevu 1, gde pritisak je 0.1-1 bara, bolje 0.2-0.8 bara, još bolje oko 0.5 bara.

3. Postupak prema zahtevu 1 ili 2, gde je temperatura u izlaznom luku podešena tako da se kreće u opsegu od 3500 i 4700 Kelvin.

4. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, gde je protočni vazduh ugašen primenom finih raspršenih kapljica vode uzvodno ili neposredno nizvodno od luka, viškom dovedenog vazduha ili vazduha koji zaobilazi luk, za dobijanje stabilne plazme koja ne sadrži NO, sa temperaturom nižom od 1500 Kelvina.

5. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, gde reaktor je luk ili plazmeni disk reaktor.

6. Postupak prema zahtevu 5, gde je reaktor sa lukom i plazma diskom sadrži i izmenjivač toplote, za smanjenje vremena boravka i kombinovanje hlađenja proizvedenog gasa i predgrejanog dovodnog gasa.

7. Postupak prema zahtevu 6, gde toplotni izmenjivač je razmenjivač toplote tipa cevi za omotačem.

8. Postupak prema zahtevu 6 ili 7, gde toplotni izmenjivač je protočni izmenjivač toplote.

9. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, gde je vreme boravka dodatno smanjeno korišćenjem kraja cevi za izmenjivanje toplote kao anode za rotaciju konusnog luka plazme sa odgovarajućim katodama postavljenim na suprotnim stranama svake od cevi.

10. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, gde je vreme boravka smanjeno na 0.1 sekundu kako bi se dostiglo 8 % zapr. NO, poželjno manje od 0.001 sekunde da bi se postiglo 12 % zapr. NO.