수성가스로부터 수소 생산

합성가스를 생산하는 모든 산업 공정에서, 이산화탄소를 수소로 전환하기 위해 수성가스전환 반응을 이용하는 것은 필수적인 단계입니다.
이 반응은 가역적인 발열 반응입니다. 온도가 높을수록 평형 전환율은 낮아집니다. 또한, 이 반응은 전형적인 촉매 반응입니다. 촉매가 없을 경우 700℃에서 반응이 일어나기 어렵습니다. 촉매가 존재할 경우 반응 온도가 크게 낮아집니다. 고온 전환 촉매를 사용할 경우 반응 온도는 300~500℃이고, 저온 전환 촉매를 사용할 경우 반응 온도는 200~400℃입니다(표 22). 이 반응은 등분자 반응이므로 압력은 반응 평형에 영향을 미치지 않지만, 압력 조절을 통해 생산 강도와 반응 속도를 향상시킬 수 있습니다.
반응 초기 단계에서는 평형 한계에서 멀리 떨어져 있어 반응 속도론적 제어를 받습니다. 온도를 높이면 반응 속도가 크게 향상되고 공정 효율이 개선됩니다. 반응 후기 단계에서는 공정 전환율이 열역학적 평형에 의해 제한됩니다. 고온에서의 열역학적 평형 전환율은 상대적으로 낮습니다. 따라서 반응 후기 단계에서는 CO 전환율을 높이기 위해 저온 운전 방식을 채택해야 합니다. 이처럼 공정의 열역학적 및 속도론적 특성을 고려할 때, CO 전환 공정에는 가변 온도 운전 방식이 적합합니다.
반응 초기 단계에서는 평형 한계에서 멀리 떨어져 있어 반응 속도론적 제어를 받습니다. 온도를 높이면 반응 속도가 크게 향상되고 공정 효율이 개선됩니다. 반응 후기 단계에서는 공정 전환율이 열역학적 평형에 의해 제한됩니다. 고온에서의 열역학적 평형 전환율은 상대적으로 낮습니다. 따라서 반응 후기 단계에서는 CO 전환율을 높이기 위해 저온 운전 방식을 채택해야 합니다. 이처럼 공정의 열역학적 및 속도론적 특성을 고려할 때, CO 전환 공정에는 가변 온도 운전 방식이 적합합니다.
반응 평형의 제약으로 인해 저온 수성가스 전환 후 CO가 많이 전환되더라도 그 함량은 여전히 ​​약 1% 정도 남아 있어 많은 후속 공정의 사용 요구 사항을 충족하지 못합니다. 산업에서는 일반적으로 화학 반응을 통해 이를 제거합니다. 다량의 수소 존재 하에서 CO와 O2의 선택적 산화는 CO2를 생성하고, 수소와 O2 또한 쉽게 반응합니다. 따라서 이 공정은 반응 온도와 촉매의 종류에 매우 의존적입니다[29301].
또 다른 산업화된 공정은 다량의 기존 수소를 이용하여 니켈 기반 촉매에서 직접 CO를 수소화하여 메탄을 생산하는 것입니다.
수성가스 변환 및 CO 제거 후, 가스의 주요 성분은 H2와 CO2가 됩니다. 합성 암모니아 산업에서는 CO2를 먼저 분리해야 합니다. 이렇게 분리된 CO2는 후속 공정에서 수소로부터 생성된 암모니아와 반응하여 중탄산암모늄, 탄산암모늄, 요소 등의 화학비료를 생산함으로써 CO2를 최대한 활용할 수 있습니다. 이 과정에서 CO2와 H2의 분리 기술은 CO2의 재활용을 보장하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
양성자막 연료 전지와 같은 수소 응용 분야에서는 이산화탄소 대신 수소만 사용됩니다. 이산화탄소는 쓸모없는 배출물이 되며, 식품 등급 탄산칼슘 생산과 같은 다른 광물화 공정과 결합해야 할 수도 있습니다.
하지만 모든 이산화탄소 분리 공정에서 이산화탄소 흡수제로는 유기아민이나 메탄올을 사용하는 것이 더 효과적입니다. 특히 저온에서 메탄올을 이용한 이산화탄소 흡수 공정에서는 많은 기체의 용해도가 저온에서 높아지는데, 수소만은 용해도가 온도에 영향을 받지 않고 온도가 낮을수록 용해도가 낮아집니다. 따라서 수소 분리에 있어 우수한 선택성을 보입니다.
이산화탄소 회수 과정에서 수소 생산량 손실을 방지하는 전제 하에, 이산화탄소와 강하게 결합하는 고가의 시약(예: 가성소다) 사용을 피하여 공정의 경제성을 확보해야 합니다.