Bei jedem industriellen Prozess der Synthesegaserzeugung ist es ein wesentlicher Schritt, den Fortschritt der Wassergas-Shift-Reaktion zu nutzen, um CO in Wasserstoff umzuwandeln.
Diese Reaktion ist eine reversible exotherme Reaktion. Je höher die Temperatur, desto geringer der entsprechende Gleichgewichtsumsatz. Gleichzeitig handelt es sich um eine typische katalytische Reaktion. Ohne Katalysator ist die Reaktion bei 700 °C schwierig. In Gegenwart eines Katalysators sinkt die Reaktionstemperatur deutlich. Bei Verwendung eines Hochtemperatur-Shift-Katalysators liegt die Reaktionstemperatur zwischen 300 und 500 °C; bei Verwendung eines Niedertemperatur-Shift-Katalysators zwischen 200 und 400 °C (Tabelle 22). Da es sich um eine isomolekulare Reaktion handelt, hat der Druck keinen Einfluss auf das Reaktionsgleichgewicht. Eine Druckbehandlung kann jedoch die Ausbeute und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.
Im Anfangsstadium der Reaktion ist der Prozess weit vom Gleichgewicht entfernt und kinetisch bestimmt. Eine Temperaturerhöhung kann die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Prozesseffizienz deutlich steigern. Im späteren Verlauf der Reaktion wird der Umsatz durch das thermodynamische Gleichgewicht begrenzt. Der thermodynamische Gleichgewichtsumsatz ist bei hohen Temperaturen relativ gering. Daher sollte im späteren Verlauf der Reaktion ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen angestrebt werden, um den CO-Umsatz zu verbessern. Die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften des Prozesses erfordern einen Betrieb mit variabler Temperatur für den CO-Umsatz.
Im Anfangsstadium der Reaktion ist der Prozess weit vom Gleichgewicht entfernt und kinetisch bestimmt. Eine Temperaturerhöhung kann die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Prozesseffizienz deutlich steigern. Im späteren Verlauf der Reaktion wird der Umsatz durch das thermodynamische Gleichgewicht begrenzt. Der thermodynamische Gleichgewichtsumsatz ist bei hohen Temperaturen relativ gering. Daher sollte im späteren Verlauf der Reaktion ein Betrieb bei niedrigen Temperaturen angestrebt werden, um den CO-Umsatz zu verbessern. Die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften des Prozesses erfordern einen Betrieb mit variabler Temperatur für den CO-Umsatz.
Aufgrund der eingeschränkten Reaktionsbilanz beträgt der CO-Gehalt nach der Niedertemperatur-Wassergaskonvertierung trotz weitgehender CO-Umwandlung immer noch etwa 1 % und genügt damit nicht den Anforderungen vieler nachfolgender Prozesse. Industriell wird CO daher üblicherweise durch chemische Reaktionen entfernt. Die selektive Oxidation von CO und O₂ in Gegenwart großer Mengen Wasserstoff erzeugt CO₂, wobei Wasserstoff und O₂ ebenfalls leicht miteinander reagieren. Daher hängt der Prozess stark von der Reaktionstemperatur und der Art des Katalysators ab [29301].
Ein weiteres industrialisiertes Verfahren ist die Hydrierung von CO mit einer großen Menge vorhandenen Wasserstoffs direkt an einem Nickel-basierten Katalysator zur Methanerzeugung.
Nach der Wassergasaufbereitung und der CO₂-Abtrennung bestehen die Hauptbestandteile des Gases aus H₂ und CO₂. In der Ammoniaksynthese muss das CO₂ zunächst abgetrennt werden. Dieses kann in einem nachfolgenden Schritt mit dem aus Wasserstoff erzeugten Ammoniak zu Ammoniumbicarbonat, Ammoniumcarbonat, Harnstoff und anderen chemischen Düngemitteln reagieren, um eine maximale CO₂-Nutzung zu erreichen. Die Trennung von CO₂ und H₂ dient in diesem Prozess vor allem dazu, die Wiederverwertung des CO₂ zu gewährleisten.
Bei Wasserstoffanwendungen wie Protonenmembran-Brennstoffzellen wird ausschließlich Wasserstoff anstelle von CO2 verwendet. CO2 wird zu nutzlosen Emissionen, die gegebenenfalls mit anderen Mineralisierungsprozessen (wie der Herstellung von Calciumcarbonat in Lebensmittelqualität) kombiniert werden müssen.
Bei allen CO₂-Abtrennungsverfahren ist die Absorption von CO₂ mit organischen Aminen oder Methanol jedoch vorteilhafter. Insbesondere bei der CO₂-Absorption mit Methanol bei niedrigen Temperaturen steigt die Löslichkeit vieler Gase mit sinkender Temperatur. Nur die Löslichkeit von Wasserstoff ist nicht temperaturabhängig; je niedriger die Temperatur, desto geringer die Löslichkeit. Dies führt zu einer guten Selektivität bei der H₂-Abtrennung.
Bei der CO2-Rückgewinnung sollte, unter der Voraussetzung, dass die Wasserstoffausbeute nicht beeinträchtigt wird, auf den Einsatz teurer Reagenzien (wie z. B. Natronlauge) verzichtet werden, die stark mit CO reagieren können, um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu gewährleisten.
Veröffentlichungsdatum: 10. Dezember 2021