水性ガスからの水素製造

合成ガスを生成するあらゆる工業プロセスにおいて、COを水素に変換する水性ガスシフト反応の進行を利用することは不可欠な工程である。
この反応は可逆的な発熱反応です。温度が高いほど、対応する平衡転化率は低くなります。同時に、この反応は典型的な触媒反応です。触媒がない場合、700℃で反応させるのは困難です。触媒が存在すると、反応温度は大幅に低下します。高温シフト触媒を使用する場合、反応温度は300～500℃です。低温シフト触媒を使用する場合、反応温度は200～400℃です（表22）。この反応は同分子反応であるため、圧力は反応平衡に影響を与えませんが、加圧操作により生産強度と反応速度を向上させることができます。
反応の初期段階では、プロセスは平衡限界から大きく離れており、反応速度論によって制御されます。温度を上げると、反応速度が大幅に向上し、プロセス効率が向上します。反応の後期段階では、プロセスの転化率は熱力学的平衡によって制限されます。高温での熱力学的平衡転化率は比較的低いため、反応の後期段階では、CO転化率を向上させるために低温操作を採用する必要があります。プロセスの熱力学的および速度論的特性から、CO転化プロセスでは可変温度操作を採用する必要があることがわかります。
反応の初期段階では、プロセスは平衡限界から大きく離れており、反応速度論によって制御されます。温度を上げると、反応速度が大幅に向上し、プロセス効率が向上します。反応の後期段階では、プロセスの転化率は熱力学的平衡によって制限されます。高温での熱力学的平衡転化率は比較的低いため、反応の後期段階では、CO転化率を向上させるために低温操作を採用する必要があります。プロセスの熱力学的および速度論的特性から、CO転化プロセスでは可変温度操作を採用する必要があることがわかります。
反応バランスの制約により、低温水性ガス変換後には CO は高度に変換されるものの、その含有量は依然として約 1% であり、多くの後続プロセスの使用要件を満たせない。工業的には通常、いくつかの化学反応によって除去される。大量の水素の存在下での CO と O2 の選択的酸化により CO2 が生成され、水素と O2 も反応しやすい。したがって、このプロセスは反応温度と触媒の種類に厳密に依存する [29301]。
もう一つの工業化されたプロセスは、ニッケル系触媒上で大量の既存の水素を用いてCOを直接水素化し、メタンを生成するものである。
水性ガス変換とCO除去後、ガスの主成分はH2とCO2になります。合成アンモニア産業では、まずCO2を分離する必要があります。このCO2は、後続工程で水素から生成されたアンモニアと反応を続け、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、尿素などの化学肥料を生成することで、CO2の最大限の利用を実現します。このプロセスにおいて、CO2とH2の分離技術は、主にCO2のリサイクル利用を確実にするためのものです。
プロトン膜燃料電池などの水素利用用途では、CO2の代わりに水素のみが使用されます。CO2は無駄な排出物となり、他の鉱物化プロセス（食品グレードの炭酸カルシウムの製造など）と組み合わせる必要がある場合があります。
しかし、CO2分離の全プロセスにおいて、有機アミンまたはメタノールを用いてCO2を吸収する方がより良い方法です。特に、低温でのメタノールによるCO2吸収プロセスでは、多くのガスの溶解度が低温で高くなります。水素の溶解度だけは温度の影響を受けませんが、温度が低いほど溶解度は低くなります。そのため、水素分離において優れた選択性を示します。
CO2回収の過程において、水素収率への悪影響を避けることを前提として、COと強く結合する高価な試薬（苛性ソーダなど）の使用を避けるように努め、プロセスの経済性を確保する。