Ammoniakkisynteesin mallintaminen kemiallisen tasapainon periaatteella

Abstract

Laivaliikenteen hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää käyttämällä ammoniakkia polttoaineena ja sitä myötä mahdollisesti vaikuttaa ilmastonmuutokseen. Jos ammoniakin käyttö vaihtoehtoisena polttoaineena yleistyy, ammoniakin tuotantoa täytyy kasvattaa. Ammoniakin mooliosuuden määrittäminen ammoniakkisynteesissä vaatii yleensä tietoa re-aktion kinetiikasta. Olettaen, että systeemi saavuttaa kemiallisen tasapainotilan tai lähestyy sitä, voidaan mooliosuuden tarkastelua yksinkertaistaa.

Tässä työssä simuloidaan ammoniakkisynteesissä muodostuneen ammoniakin mooliosuutta kolmessa eri tapauksessa Aspen Plus- ohjelmiston avulla. Simuloinnit toteutettiin säätämällä reaktoreiden lämpötiloja ja paineita. Jokaisessa simuloinnissa systeemiin sisään virtaavan kaasun koostumus pidettiin vakiona. Ammoniakin mooliosuudet laskettiin kemiallisessa tasapainotilassa. Tämän jälkeen muodostettiin sovite ammoniakin mooliosuudelle paineen ja lämpötilan funktiona. Lisäksi vertailtiin lämpötilan ja paineen vaikutusta eri tapausten välillä.

Takaisinkytketyn reaktorin ja yhden reaktorin systeemin välillä ei ollut eroavaisuutta ammoniakin mooliosuuksissa kemiallisessa tasapainotilassa. Ammoniakin mooliosuudelle tehdyn sovitteen käyttäytyminen vastasi eksotermiselle reaktiolle ominaista käyttäytymistä kemiallisessa tasapainotilassa. Sovitteella voidaan myös arvioida systeemien ammoniakin mooliosuutta sellaisessa tilanteissa, joiden koostumukset lähestyvät kemiallisen tasapainotilan koostumusta.

The carbon dioxide emissions could be reduced by using ammonia as an alternative fuel in the cargo ships and therefore mitigate the climate change. If the use of ammonia as an alternative fuel source increases, the production of ammonia must be also increased. The mole fraction of ammonia produced by ammonia synthesis usually requires information about the kinetics of the reaction. Assuming that the system reaches chemical equilibrium or approaches it, the calculation of the mole fraction can be simplified.

In this thesis, ammonia’s mole fraction is simulated in three different cases using Aspen Plus. Simulations were conducted by altering the pressures and the temperatures of reactors. During the simulations the composition of inflow gas was kept as constant. Mole fractions of ammonia were calculated in the chemical equilibrium state. After the simulations, a curve was fitted to ammonia’s mole fractions as a function of temperature and pressure. Furthermore, the effect of temperature and pressure was compared between different cases.

Between the single reactor and a reactor with a feedback loop, there was no difference in mole fractions of gas in chemical equilibrium. The curve for ammonia’s mole fraction behaved the same way as an exothermic reaction in chemical equilibrium. The produced curve can be used to approximate ammonia’s mole fraction in cases, in which gas composition is approaching the gas composition of chemical equilibrium.