إنتاج الهيدروجين من غاز الماء

في أي عملية صناعية لتوليد الغاز التخليقي، يعد استخدام تقدم تفاعل تحويل غاز الماء لتحويل أول أكسيد الكربون إلى هيدروجين حلقة وصل أساسية.
هذا التفاعل تفاعل طارد للحرارة وعكوس. كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفض معدل التحويل عند الاتزان. في الوقت نفسه، يُعد هذا التفاعل تفاعلًا تحفيزيًا نموذجيًا. يصعب حدوث التفاعل عند 700 درجة مئوية في غياب العامل الحفاز. أما في وجود العامل الحفاز، فتنخفض درجة حرارة التفاعل بشكل كبير. عند استخدام عامل حفاز عالي الحرارة، تتراوح درجة حرارة التفاعل بين 300 و500 درجة مئوية؛ وعند استخدام عامل حفاز منخفض الحرارة، تتراوح درجة حرارة التفاعل بين 200 و400 درجة مئوية (الجدول 22). ولأن التفاعل متماثل الجزيئات، فإن الضغط لا يؤثر على اتزان التفاعل، ولكن يمكن للضغط أن يُحسّن من كثافة الإنتاج وسرعة التفاعل.
في المرحلة الأولية للتفاعل، تكون العملية بعيدة عن حد التوازن وتخضع لقوانين الحركية. يمكن لرفع درجة الحرارة أن يحسن بشكل كبير من معدل التفاعل وكفاءة العملية. في المرحلة اللاحقة من التفاعل، يصبح تحويل العملية محدودًا بالتوازن الديناميكي الحراري. يكون تحويل التوازن الديناميكي الحراري عند درجات الحرارة العالية منخفضًا نسبيًا. لذلك، في المرحلة اللاحقة من التفاعل، ينبغي اعتماد التشغيل عند درجات حرارة منخفضة لتحسين تحويل أول أكسيد الكربون. تحدد الخصائص الديناميكية الحرارية والحركية للعملية ضرورة اعتماد التشغيل بدرجة حرارة متغيرة في عملية تحويل أول أكسيد الكربون.
في المرحلة الأولية للتفاعل، تكون العملية بعيدة عن حد التوازن وتخضع لقوانين الحركية. يمكن لرفع درجة الحرارة أن يحسن بشكل كبير من معدل التفاعل وكفاءة العملية. في المرحلة اللاحقة من التفاعل، يصبح تحويل العملية محدودًا بالتوازن الديناميكي الحراري. يكون تحويل التوازن الديناميكي الحراري عند درجات الحرارة العالية منخفضًا نسبيًا. لذلك، في المرحلة اللاحقة من التفاعل، ينبغي اعتماد التشغيل عند درجات حرارة منخفضة لتحسين تحويل أول أكسيد الكربون. تحدد الخصائص الديناميكية الحرارية والحركية للعملية ضرورة اعتماد التشغيل بدرجة حرارة متغيرة في عملية تحويل أول أكسيد الكربون.
نظراً لتقييد توازن التفاعل، فعلى الرغم من التحول الكامل لأول أكسيد الكربون بعد تحويله إلى غاز الماء عند درجات حرارة منخفضة، إلا أن نسبته لا تزال حوالي 1%، وهو ما لا يفي بمتطلبات استخدام العديد من العمليات اللاحقة. في الصناعة، يُزال عادةً عن طريق بعض التفاعلات الكيميائية. ينتج عن الأكسدة الانتقائية لأول أكسيد الكربون والأكسجين في وجود كمية كبيرة من الهيدروجين ثاني أكسيد الكربون، كما أن الهيدروجين والأكسجين يتفاعلان بسهولة. لذلك، تعتمد العملية بشكل كبير على درجة حرارة التفاعل ونوع العامل الحفاز [29301].
ومن العمليات الصناعية الأخرى هدرجة أول أكسيد الكربون بكمية كبيرة من الهيدروجين الموجود مباشرة على محفز قائم على النيكل لإنتاج الميثان.
بعد تحويل غاز الماء وإزالة ثاني أكسيد الكربون، يصبح المكونان الرئيسيان للغاز هما الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. في صناعة الأمونيا الاصطناعية، يجب فصل ثاني أكسيد الكربون أولاً. يمكن إعادة استخدام ثاني أكسيد الكربون الناتج للتفاعل مع الأمونيا المتولدة من الهيدروجين في المرحلة اللاحقة لإنتاج بيكربونات الأمونيوم، أو كربونات الأمونيوم، أو اليوريا، وغيرها من الأسمدة الكيميائية، وذلك لتحقيق أقصى استفادة من ثاني أكسيد الكربون. في هذه العملية، تهدف تقنية فصل ثاني أكسيد الكربون عن الهيدروجين بشكل أساسي إلى ضمان إمكانية إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون واستخدامه.
بالنسبة لتطبيقات الهيدروجين مثل خلايا وقود غشاء البروتون، يتم استخدام الهيدروجين فقط بدلاً من ثاني أكسيد الكربون. يصبح ثاني أكسيد الكربون انبعاثات غير مفيدة، والتي قد تحتاج إلى دمجها مع عمليات تمعدن أخرى (مثل إنتاج كربونات الكالسيوم الصالحة للأكل).
مع ذلك، في جميع عمليات فصل ثاني أكسيد الكربون، يُعد استخدام الأمينات العضوية أو الميثانول لامتصاصه أفضل طريقة. خاصةً في عملية امتصاص ثاني أكسيد الكربون بالميثانول عند درجات حرارة منخفضة، حيث تزداد ذوبانية العديد من الغازات عند هذه الدرجات. أما الهيدروجين، فلا تتأثر ذوبانيته بدرجة الحرارة، فكلما انخفضت درجة الحرارة انخفضت الذوبانية، مما يُظهر انتقائية جيدة لفصل الهيدروجين.
في عملية استعادة ثاني أكسيد الكربون، وعلى أساس تجنب الإضرار بإنتاج الهيدروجين، حاول تجنب استخدام الكواشف باهظة الثمن (مثل الصودا الكاوية) التي يمكن أن تتحد بقوة مع أول أكسيد الكربون، وذلك لضمان اقتصادية العملية.