تولید هیدروژن از گاز آب

در هر فرآیند صنعتی تولید گاز سنتز، استفاده از پیشرفت واکنش جابجایی آب و گاز برای تبدیل CO به هیدروژن یک حلقه ضروری است.
این واکنش یک واکنش گرمازای برگشت‌پذیر است. هرچه دما بالاتر باشد، تبدیل تعادلی مربوطه پایین‌تر است. در عین حال، این واکنش یک واکنش کاتالیزوری معمولی است. وقتی کاتالیزوری وجود ندارد، واکنش در دمای 700 درجه سانتیگراد دشوار است. در حضور کاتالیزور، دمای واکنش به شدت کاهش می‌یابد. هنگام استفاده از کاتالیزور شیفت دمای بالا، دمای واکنش 300 تا 500 درجه سانتیگراد است؛ وقتی از کاتالیزور شیفت دمای پایین استفاده می‌شود، دمای واکنش 200 تا 400 درجه سانتیگراد است (جدول 22). از آنجا که واکنش یک واکنش ایزومولکولی است، فشار هیچ تاثیری بر تعادل واکنش ندارد، اما عملیات فشار می‌تواند شدت تولید و سرعت واکنش را بهبود بخشد.
در مرحله اولیه واکنش، فرآیند از حد تعادل فاصله دارد و توسط سینتیک کنترل می‌شود. افزایش دما می‌تواند سرعت واکنش را تا حد زیادی بهبود بخشد و راندمان فرآیند را بهبود بخشد. در مرحله بعدی واکنش، تبدیل فرآیند توسط تعادل ترمودینامیکی محدود می‌شود. تبدیل تعادل ترمودینامیکی در دمای بالا نسبتاً کم است. بنابراین، در مرحله بعدی واکنش، برای بهبود تبدیل CO باید عملیات در دمای پایین انجام شود. ویژگی‌های ترمودینامیکی و سینتیکی فرآیند تعیین می‌کند که فرآیند تبدیل CO باید عملیات در دمای متغیر را اتخاذ کند.
در مرحله اولیه واکنش، فرآیند از حد تعادل فاصله دارد و توسط سینتیک کنترل می‌شود. افزایش دما می‌تواند سرعت واکنش را تا حد زیادی بهبود بخشد و راندمان فرآیند را بهبود بخشد. در مرحله بعدی واکنش، تبدیل فرآیند توسط تعادل ترمودینامیکی محدود می‌شود. تبدیل تعادل ترمودینامیکی در دمای بالا نسبتاً کم است. بنابراین، در مرحله بعدی واکنش، برای بهبود تبدیل CO باید عملیات در دمای پایین انجام شود. ویژگی‌های ترمودینامیکی و سینتیکی فرآیند تعیین می‌کند که فرآیند تبدیل CO باید عملیات در دمای متغیر را اتخاذ کند.
با توجه به محدودیت تعادل واکنش، اگرچه CO پس از تبدیل گاز آب در دمای پایین به طور عمیق تبدیل می‌شود، اما محتوای آن هنوز حدود 1٪ است که نمی‌تواند الزامات استفاده بسیاری از فرآیندهای بعدی را برآورده کند. در صنعت، معمولاً توسط برخی واکنش‌های شیمیایی حذف می‌شود. اکسیداسیون انتخابی CO و O2 در حضور مقدار زیادی هیدروژن، CO2 تولید می‌کند و هیدروژن و O2 نیز به راحتی با هم واکنش می‌دهند. بنابراین، این فرآیند به شدت به دمای واکنش و نوع کاتالیزور بستگی دارد [29301].
یکی دیگر از فرآیندهای صنعتی، هیدروژناسیون CO با مقدار زیادی هیدروژن موجود به طور مستقیم بر روی کاتالیزور مبتنی بر نیکل برای تولید متان است.
پس از تبدیل گاز آب و حذف CO، اجزای اصلی گاز به H2 و CO2 تبدیل می‌شوند. در صنعت آمونیاک مصنوعی، ابتدا CO2 باید جدا شود. این CO2 می‌تواند در بخش بعدی با آمونیاک تولید شده توسط هیدروژن واکنش دهد تا بی‌کربنات آمونیوم، کربنات آمونیوم یا اوره و سایر کودهای شیمیایی تولید شود تا حداکثر استفاده از CO2 محقق شود. در این فرآیند، فناوری جداسازی CO2 و H2 عمدتاً برای اطمینان از بازیافت CO2 است.
برای کاربردهای هیدروژن مانند پیل‌های سوختی غشای پروتون، فقط از هیدروژن به جای CO2 استفاده می‌شود. CO2 به گازهای بی‌فایده تبدیل می‌شود که ممکن است نیاز به ترکیب با سایر فرآیندهای معدنی‌سازی (مانند تولید کربنات کلسیم با درجه غذایی) داشته باشد.
با این حال، در تمام فرآیندهای جداسازی CO2، استفاده از آمین آلی یا متانول برای جذب CO2 روش بهتری است. به خصوص در فرآیند جذب CO2 توسط متانول در دمای پایین، حلالیت بسیاری از گازها در دمای پایین بیشتر می‌شود. فقط حلالیت هیدروژن محدود به دما نیست و هرچه دما پایین‌تر باشد، حلالیت کمتر است. این روش گزینش‌پذیری خوبی برای جداسازی H2 نشان می‌دهد.
در فرآیند بازیابی CO2، با فرض جلوگیری از آسیب به بازده هیدروژن، سعی کنید از استفاده از واکنشگرهای گران‌قیمت (مانند سود سوزآور) که می‌توانند به شدت با CO ترکیب شوند، خودداری کنید تا از نظر اقتصادی فرآیند مقرون به صرفه باشد.