W każdym przemysłowym procesie wytwarzania gazu syntezowego istotnym ogniwem jest wykorzystanie postępu reakcji konwersji gazu wodnego do konwersji CO w wodór.
Reakcja ta jest odwracalną reakcją egzotermiczną. Im wyższa temperatura, tym niższy stopień konwersji w stanie równowagi. Jednocześnie jest to typowa reakcja katalityczna. Bez katalizatora trudno jest przeprowadzić reakcję w temperaturze 700°C. W obecności katalizatora temperatura reakcji ulega znacznemu obniżeniu. W przypadku zastosowania katalizatora wysokotemperaturowego (high temperature shift), temperatura reakcji wynosi 300–500°C; w przypadku zastosowania katalizatora niskotemperaturowego (low temperature shift), temperatura reakcji wynosi 200–400°C (tabela 22). Ponieważ reakcja jest reakcją izomolekularną, ciśnienie nie ma wpływu na stan równowagi, ale może poprawić intensywność produkcji i szybkość reakcji.
Na początkowym etapie reakcji proces jest daleki od granicy równowagi i jest kontrolowany przez kinetykę. Podniesienie temperatury może znacznie zwiększyć szybkość reakcji i poprawić wydajność procesu. W późniejszym etapie reakcji konwersja jest ograniczona przez równowagę termodynamiczną. Konwersja równowagi termodynamicznej w wysokiej temperaturze jest stosunkowo niska. Dlatego w późniejszym etapie reakcji należy stosować niską temperaturę, aby poprawić konwersję CO. Charakterystyka termodynamiczna i kinetyczna procesu decyduje o konieczności stosowania zmiennej temperatury w procesie konwersji CO.
Na początkowym etapie reakcji proces jest daleki od granicy równowagi i jest kontrolowany przez kinetykę. Podniesienie temperatury może znacznie zwiększyć szybkość reakcji i poprawić wydajność procesu. W późniejszym etapie reakcji konwersja jest ograniczona przez równowagę termodynamiczną. Konwersja równowagi termodynamicznej w wysokiej temperaturze jest stosunkowo niska. Dlatego w późniejszym etapie reakcji należy stosować niską temperaturę, aby poprawić konwersję CO. Charakterystyka termodynamiczna i kinetyczna procesu decyduje o konieczności stosowania zmiennej temperatury w procesie konwersji CO.
Ze względu na ograniczenia bilansu reakcji, chociaż CO ulega głębokiej konwersji po niskotemperaturowej konwersji gazu wodnego, jego zawartość nadal wynosi około 1%, co nie spełnia wymagań użytkowych wielu późniejszych procesów. W przemyśle jest on zazwyczaj usuwany w wyniku reakcji chemicznych. Selektywne utlenianie CO i O₂ w obecności dużej ilości wodoru generuje CO₂, a wodór i O₂ również łatwo wchodzą w reakcje. Dlatego proces jest ściśle uzależniony od temperatury reakcji i rodzaju katalizatora [29301].
Innym przemysłowym procesem jest uwodornienie CO2 przy użyciu dużej ilości istniejącego wodoru bezpośrednio na katalizatorze na bazie niklu w celu wytworzenia metanu.
Po przekształceniu gazu wodnego i usunięciu CO2, głównymi składnikami gazu stają się H₂ i CO₂. W przemyśle syntetycznego amoniaku, CO₂ musi zostać najpierw oddzielone. Ten CO₂ może następnie reagować z amoniakiem wytwarzanym przez wodór w kolejnym etapie, wytwarzając wodorowęglan amonu, węglan amonu lub mocznik i inne nawozy sztuczne, co pozwala na maksymalne wykorzystanie CO₂. W tym procesie technologia separacji CO₂ i H₂ ma na celu przede wszystkim zapewnienie możliwości recyklingu CO₂.
W zastosowaniach wodorowych, takich jak ogniwa paliwowe z membraną protonową, zamiast CO2 wykorzystuje się wyłącznie wodór. CO2 staje się bezużyteczną emisją, która może wymagać połączenia z innymi procesami mineralizacji (takimi jak produkcja węglanu wapnia nadającego się do kontaktu z żywnością).
Jednak we wszystkich procesach separacji CO2 lepszym sposobem jest użycie aminy organicznej lub metanolu do absorpcji CO2. Szczególnie w procesie absorpcji CO2 przez metanol w niskiej temperaturze, rozpuszczalność wielu gazów wzrasta w niskich temperaturach. Jedynie rozpuszczalność wodoru nie jest ograniczona temperaturą, a im niższa temperatura, tym niższa rozpuszczalność. Zapewnia to dobrą selektywność w separacji H2.
W procesie odzyskiwania CO2, w celu uniknięcia zmniejszenia wydajności produkcji wodoru, należy unikać stosowania drogich odczynników (takich jak soda kaustyczna), które mogą silnie wiązać się z CO, aby zapewnić ekonomikę procesu.
Czas publikacji: 10 grudnia 2021 r.