低温等离子体-电催化合成氨方法以及硝酸铵合成的方法与流程

本发明属于氨以及硝酸铵制备，特别是涉及一种基于低温等离子体-电催化合成氨方法，以及一种基于低温等离子体-电催化合成氨合成硝酸铵的方法。

背景技术：

1、等离子体是物质最主要的正常状态，也被称为物质的第四状态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。最常见的等离子体产生方法是气体放电法，主要的激励方式有：直流放电、交流放电、射频放电、激光和微波激励。其中微波等离子体能将微波能量转换为气体分子的内能，从而使气体激发、电离产生等离子体。等离子体催化主要指的是等离子体多相催化，即放电电极表面、器壁表面及涂层、置放的异相物质等对等离子体化学反应的催化作用。等离子体多相催化作用可以发生在等离子体区、等离子体余辉区(afterglow)、产物收集区(冷阱)。

2、氨作为传统的化工原料，广泛用于制造氨水、氮肥(尿素、碳铵等)、复合肥料、硝酸、铵盐、纯碱等，应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域。迫切需要清洁无污染的能源来代替化石燃料。然而越来越多的研究表明，氢并不是最合适的能源载体，其本身的诸多缺点成为阻碍其大规模推广应用的障碍。这些缺点包括：传统方式制氢碳排放高而低碳或无碳方式制氢成本居高不下；氢气的难液化，高腐蚀性，高逃逸性等特性导致其储存或运输相当困难，对材料、技术与设备要求高，且浪费多、成本高；氢气易泄露且易爆，安全性很低。将氨能作为氢能的补充与发展，正成为现阶段氢能应用研究的热点之一。氨气一般可由氮和氢直接合成而制得，工业上氨是以哈伯法通过n2和h2在高温高压和催化剂存在下直接化合而制成，该方法存在一些不可回避的问题，如效率较、能耗高、co2的排放量高等。

3、亚硝酸盐，一类无机化合物的总称。主要指亚硝酸钠，亚硝酸钠为白色至淡黄色粉末或颗粒状，味微咸，易溶于水。硝酸盐和亚硝酸盐广泛存在于人类环境中，是自然界中最普遍的含氮化合物。

4、现有的亚硝酸盐制备一般包括采用当量的一氧化氮、二氧化氮通入该金属的氢氧化物溶液中。采用上述方法存在制取一氧化氮、二氧化氮不便的问题，以及所需设备占地大的。或者采用分解硝酸盐可制造出亚硝酸盐和氧气；这种方式存在需要消耗大量的硝酸盐；同时硝酸盐一般采用硝酸与金属、金属氧化物或碳酸盐反应、或金属单质和氮氧化物和氧气进行反应制备；这如果先通上述先制备硝酸盐，在进行硝酸盐分解制备得到亚硝酸盐和氧气，存在制备工序复杂的问题。

5、硝酸铵(an)是目前大多数工业炸弹的主要成分，因其燃烧产物无烟且对环境友好，在无氯推进剂中是氧化剂高氯酸铵的良好替代物之一。硝酸铵是一种重要的无机化工产品，用于制笑气、烟火，并用作肥料、军用炸药、杀虫药、冷冻剂、氧化剂、分析试剂、氧化氮吸收剂等。

6、硝酸铵的制备方法主要有以下两种：

7、中和法，以氨和硝酸为原料。反应原理为：

8、nh4oh+hno3→nh4no3+h2o；

9、转化法，以碳酸铵和硝酸钙为原料。反应原理为：

10、ca(no3)2+(nh4)2co3＝caco3↓+2nh4no3；

11、转化法是利用硝酸磷肥生产过程的副产物四水硝酸钙为原料，与碳酸铵溶液进行反应，生成硝酸铵和碳酸钙沉淀，受原料限制，很少采用，且产生碳酸钙废弃物。在中和法中，通常使用浓度为50％至68％或以上的硝酸，导致剧烈的放热反应，对设备提出了严格的要求，容易发生爆炸事故。且中和法中所用的原料硝酸普遍采用氨催化氧化法来制备，反应条件苛刻，具有爆炸危险性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低温等离子体-电催化合成氨的方法，通过微波等离子体发生装置将空气活化形成no和no2，以及通过氧化装置将部分no氧化形成no2，保证了进入吸收装置中no和no2的比例，解决了现有制取一氧化氮、二氧化氮不便的问题，以及传统所需设备占地大、制备工序复杂的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明为一种低温等离子体-电催化合成氨的方法，包括：

4、stp1、通过微波等离子体发生装置将空气活化形成包括no和no2组成的混合气体a；

5、stp2、将混合气体分成两路，一路通过管路系统一通入到管路系统三、另一路通过管路系统二经氧化装置氧化后通入到管路系统三从而组成的混合气体b；

6、stp3、通过控制进入管路系统一和管路系统二中混合气体a的比例来控制混合气体b中no和no2的含量为1:1；

7、stp4、混合气体b通入吸收液中与吸收液反应形成亚硝酸盐溶液，将亚硝酸盐溶液放入吸收液储存罐中；

8、stp5、将吸收液储存罐中亚硝酸盐溶液作为电解液通入电解槽中进行电解获得含氨溶液。

9、作为本发明的一种优选技术方案，所述微波等离子体发生装置出气端并联连通有管路系统一和管路系统二；所述管路系统一和管路系统二的末端均连通有一管路系统三；所述管路系统三的末端连通有吸收装置；所述管路系统二上连通设置有氧化装置，所述管路系统三上连通设置有尾气分析仪。

10、作为本发明的一种优选技术方案，所述所述微波等离子体发生装置的进气端连通有空气压缩机，所述空气压缩机和微波等离子体发生装置之间连通的管路a上设置有第一阀门和第一压力表。

11、作为本发明的一种优选技术方案，所述管路系统一上设置有第二阀门和第二压力表；位于所述氧化装置和微波等离子体发生装置之间的管路系统二上设置有第三阀门和第三压力表；位于所述氧化装置和管路系统三之间的管路系统二上设置有第四阀门和第四压力表；所述氧化装置还连通有一氧气供给装置，所述氧化装置和氧气供给装置之间连通的管路b上设置有第五阀门和第五压力表。

12、作为本发明的一种优选技术方案，所述吸收装置的底部填充有吸收液，所述吸收装置的底部还设置有与管路系统三连通、且浸没在吸收液内的起泡器；且所述吸收装置的顶部设置有雾化喷淋装置，所述雾化喷淋装置连通一泵一，所述泵一的进口端连通在所述吸收装置的底部。

13、作为本发明的一种优选技术方案，所述吸收装置的底部还通过管路c连通有吸收液储存罐，所述吸收液储存罐和吸收装置之间的管路c设置有一泵二和第七阀门；所述吸收装置的顶部连通有碱液补充罐，所述碱液补充罐和吸收装置之间的管路d上设置有第六阀门；所述吸收装置的顶部还连通有尾气吸收装置。

14、作为本发明的一种优选技术方案，还包括控制器，所述控制器连接尾气分析仪、第一阀门、第一压力表、第二阀门、第二压力表、第三阀门、第三压力表、第四阀门、第四压力表、第五阀门、第五压力表、第七阀门和第六阀门。

15、作为本发明的一种优选技术方案，当吸收装置内吸收液吸收氮氧化物饱和后，通过泵二将吸收液转入吸收液储存罐中，然后通过碱液补充罐向吸收装置中注入新的吸收液。

16、一种低温等离子体-电催化合成硝酸铵的方法，基于该合成氨方法所制备得到的亚硝酸盐溶液和含氨溶液进行硝酸铵的制备；

17、stp01、将所得亚硝酸盐溶液氧化得到硝酸盐溶液；

18、stp02、将stp4制备得到的亚硝酸盐溶液与stp5制备得到的含氨溶液通入反应装置内，反应生成硝酸铵粗产物；

19、stp03、将硝酸铵粗产物提纯即得硝酸铵。

20、作为本发明的一种优选技术方案，还包括与吸收液储存罐连通的电催化装置和氧化设备，所述电催化装置连通一含氨电解液储罐；所述含氨电解液储罐和氧化设备均连通有反应设备。

21、本发明具有以下有益效果：

22、1、本发明通过微波等离子体发生装置将空气活化形成no和no2，以及通过氧化装置将部分no氧化形成no2，保证了进入吸收装置中no和no2的比例为1:1，利用no和no2与吸收液反应形成亚硝酸盐，利用对亚硝酸盐进行电解获得获得含氨溶液，将该获得含氨溶液与硝酸盐溶液反应制得硝酸铵；同时该装置在使用时方便根据实际需求调整单一管路或总体管路系统中气体的流速。

23、2、本发明通过微波等离子体发生装置将空气活化形成no和no2，以及通过氧化装置将部分no氧化形成no2，保证了进入吸收装置中no和no2的比例，解决了现有制取一氧化氮、二氧化氮不便的问题，以及传统所需设备占地大、制备工序复杂的问题

24、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。