Bij elk industrieel proces voor de productie van syngas is het essentieel om de voortgang van de watergasverschuivingsreactie te benutten om CO om te zetten in waterstof.
Deze reactie is een omkeerbare exotherme reactie. Hoe hoger de temperatuur, hoe lager de bijbehorende evenwichtsconversie. Tegelijkertijd is dit een typische katalytische reactie. Zonder katalysator is het moeilijk om bij 700 °C te reageren. In aanwezigheid van een katalysator wordt de reactietemperatuur aanzienlijk verlaagd. Bij gebruik van een hogetemperatuur-shiftkatalysator ligt de reactietemperatuur tussen 300 en 500 °C; bij gebruik van een lagetemperatuur-shiftkatalysator ligt de reactietemperatuur tussen 200 en 400 °C (tabel 22). Omdat de reactie een isomoleculaire reactie is, heeft de druk geen invloed op het reactie-evenwicht, maar kan de druk de productie-intensiteit en de reactiesnelheid verhogen.
In de beginfase van de reactie bevindt het proces zich ver van de evenwichtslimiet en wordt het beheerst door kinetiek. Verhoging van de temperatuur kan de reactiesnelheid aanzienlijk verbeteren en de procesefficiëntie verhogen. In de latere fase van de reactie wordt de omzetting beperkt door het thermodynamisch evenwicht. De thermodynamische evenwichtsconversie bij hoge temperaturen is relatief laag. Daarom moet in de latere fase van de reactie een lage temperatuur worden toegepast om de CO-conversie te verbeteren. De thermodynamische en kinetische kenmerken van het proces bepalen dat het CO-conversieproces bij variabele temperatuur moet plaatsvinden.
In de beginfase van de reactie bevindt het proces zich ver van de evenwichtslimiet en wordt het beheerst door kinetiek. Verhoging van de temperatuur kan de reactiesnelheid aanzienlijk verbeteren en de procesefficiëntie verhogen. In de latere fase van de reactie wordt de omzetting beperkt door het thermodynamisch evenwicht. De thermodynamische evenwichtsconversie bij hoge temperaturen is relatief laag. Daarom moet in de latere fase van de reactie een lage temperatuur worden toegepast om de CO-conversie te verbeteren. De thermodynamische en kinetische kenmerken van het proces bepalen dat het CO-conversieproces bij variabele temperatuur moet plaatsvinden.
Vanwege de beperking van de reactiebalans, hoewel CO na de omzetting van watergas bij lage temperatuur sterk wordt omgezet, bedraagt het gehalte nog steeds ongeveer 1%, wat niet voldoet aan de gebruikseisen van veel daaropvolgende processen. In de industrie wordt het meestal verwijderd door middel van chemische reacties. De selectieve oxidatie van CO en O2 in aanwezigheid van een grote hoeveelheid waterstof genereert CO2, en waterstof en O2 reageren ook gemakkelijk met elkaar. Daarom is het proces sterk afhankelijk van de reactietemperatuur en het type katalysator [29301].
Een ander geïndustrialiseerd proces is de hydrogenering van CO met een grote hoeveelheid aanwezige waterstof rechtstreeks op een nikkelgebaseerde katalysator om methaan te produceren.
Na de omzetting van watergas en de verwijdering van CO₂, bestaan de belangrijkste componenten van het gas uit H₂ en CO₂. In de synthetische ammoniakindustrie moet de CO₂ eerst worden afgescheiden. Deze CO₂ kan vervolgens in een volgende fase verder reageren met ammoniak, geproduceerd door waterstof, om ammoniumbicarbonaat, ammoniumcarbonaat, ureum of andere chemische meststoffen te genereren en zo de CO₂ maximaal te benutten. De scheidingstechnologie van CO₂ en H₂ in dit proces is er vooral op gericht om ervoor te zorgen dat de CO₂ kan worden hergebruikt.
Bij waterstoftoepassingen zoals protonmembraanbrandstofcellen wordt uitsluitend waterstof gebruikt in plaats van CO2. CO2 wordt een nutteloze emissie die mogelijk gecombineerd moet worden met andere mineralisatieprocessen (zoals de productie van calciumcarbonaat van voedingskwaliteit).
Bij alle CO2-scheidingsprocessen is het echter beter om organische aminen of methanol te gebruiken voor de CO2-absorptie. Vooral bij de CO2-absorptie met methanol bij lage temperaturen neemt de oplosbaarheid van veel gassen toe. Alleen de oplosbaarheid van waterstof is niet temperatuurafhankelijk; hoe lager de temperatuur, hoe lager de oplosbaarheid. Dit resulteert in een goede selectiviteit voor de scheiding van H2.
Om de waterstofopbrengst zo laag mogelijk te houden tijdens het terugwinnen van CO2, is het raadzaam om het gebruik van dure reagentia (zoals natriumhydroxide) die sterk reageren met CO te vermijden, teneinde de kosteneffectiviteit van het proces te waarborgen.
Geplaatst op: 10 december 2021