В любом промышленном процессе получения синтез-газа использование реакции конверсии водяного газа для преобразования CO в водород является важнейшим звеном.
Эта реакция является обратимой экзотермической. Чем выше температура, тем ниже соответствующая равновесная степень превращения. В то же время, эта реакция является типичной каталитической реакцией. При отсутствии катализатора реакция при 700 °C протекает с трудом. В присутствии катализатора температура реакции значительно снижается. При использовании высокотемпературного катализатора сдвига температуры реакции она составляет 300–500 °C; при использовании низкотемпературного катализатора сдвига температуры реакции она составляет 200–400 °C (таблица 22). Поскольку это изомолекулярная реакция, давление не влияет на равновесие реакции, но применение давления может повысить интенсивность и скорость реакции.
На начальной стадии реакции процесс далек от равновесного состояния и контролируется кинетикой. Повышение температуры может значительно увеличить скорость реакции и повысить эффективность процесса. На более поздней стадии реакции степень превращения ограничивается термодинамическим равновесием. Степень превращения при высоких температурах, достигаемая в условиях термодинамического равновесия, относительно низка. Поэтому на более поздней стадии реакции следует использовать низкотемпературный режим для повышения степени превращения CO. Термодинамические и кинетические характеристики процесса определяют необходимость применения режима переменной температуры для превращения CO.
На начальной стадии реакции процесс далек от равновесного состояния и контролируется кинетикой. Повышение температуры может значительно увеличить скорость реакции и повысить эффективность процесса. На более поздней стадии реакции степень превращения ограничивается термодинамическим равновесием. Степень превращения при высоких температурах, достигаемая в условиях термодинамического равновесия, относительно низка. Поэтому на более поздней стадии реакции следует использовать низкотемпературный режим для повышения степени превращения CO. Термодинамические и кинетические характеристики процесса определяют необходимость применения режима переменной температуры для превращения CO.
Из-за ограничений, связанных с балансом реакции, хотя CO глубоко преобразуется после низкотемпературной конверсии водяного газа, его содержание все еще составляет около 1%, что не может удовлетворить требованиям использования во многих последующих процессах. В промышленности его обычно удаляют с помощью химических реакций. Селективное окисление CO и O2 в присутствии большого количества водорода генерирует CO2, а водород и O2 также легко вступают в реакцию. Поэтому процесс строго зависит от температуры реакции и типа катализатора [29301].
Еще один промышленный процесс — гидрирование CO с использованием большого количества имеющегося водорода непосредственно на никелевом катализаторе для получения метана.
После преобразования водяного газа и удаления CO2 основными компонентами газа становятся H2 и CO2. В производстве синтетического аммиака CO2 необходимо сначала отделить. Этот CO2 может продолжать реагировать с аммиаком, образующимся из водорода, в последующей секции для получения бикарбоната аммония, карбоната аммония или мочевины и других химических удобрений, что позволяет максимально эффективно использовать CO2. В этом процессе технология разделения CO2 и H2 в основном направлена на обеспечение возможности повторного использования CO2.
В водородных технологиях, таких как протонно-мембранные топливные элементы, вместо CO2 используется только водород. CO2 становится бесполезным выбросом, который может потребоваться сочетать с другими процессами минерализации (например, производством пищевого карбоната кальция).
Однако во всех процессах разделения CO2 использование органических аминов или метанола для поглощения CO2 является более предпочтительным. Особенно в процессе поглощения CO2 метанолом при низкой температуре, растворимость многих газов повышается при низких температурах. Только растворимость водорода не ограничена температурой, и чем ниже температура, тем ниже растворимость. Это демонстрирует хорошую селективность при разделении H2.
В процессе рекуперации CO2, чтобы избежать снижения выхода водорода, следует избегать использования дорогостоящих реагентов (таких как каустическая сода), которые могут прочно связываться с CO, для обеспечения экономичности процесса.
Дата публикации: 10 декабря 2021 г.