การผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซน้ำ

ในการผลิตก๊าซสังเคราะห์ในระดับอุตสาหกรรมใดๆ การใช้ปฏิกิริยาเปลี่ยนก๊าซน้ำเพื่อเปลี่ยน CO ให้เป็นไฮโดรเจนถือเป็นขั้นตอนที่สำคัญอย่างยิ่ง
ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนแบบผันกลับได้ ยิ่งอุณหภูมิสูง อัตราการเปลี่ยนแปลงสมดุลที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งต่ำลง ในขณะเดียวกัน ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาโดยทั่วไป เมื่อไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ยากที่อุณหภูมิ 700 องศาเซลเซียส แต่เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิของปฏิกิริยาจะลดลงอย่างมาก เมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเปลี่ยนอุณหภูมิสูง อุณหภูมิของปฏิกิริยาจะอยู่ที่ 300-500 องศาเซลเซียส เมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเปลี่ยนอุณหภูมิต่ำ อุณหภูมิของปฏิกิริยาจะอยู่ที่ 200-400 องศาเซลเซียส (ตารางที่ 22) เนื่องจากปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาไอโซโมเลคูลาร์ ความดันจึงไม่มีผลต่อสมดุลของปฏิกิริยา แต่การทำงานภายใต้ความดันสามารถเพิ่มความเข้มข้นของการผลิตและอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้
ในระยะเริ่มต้นของปฏิกิริยา กระบวนการยังอยู่ห่างจากขีดจำกัดสมดุลและถูกควบคุมโดยจลศาสตร์ การเพิ่มอุณหภูมิสามารถช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการได้อย่างมาก ในระยะต่อมาของปฏิกิริยา การแปลงสภาพของกระบวนการถูกจำกัดโดยสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ การแปลงสภาพที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ที่อุณหภูมิสูงนั้นค่อนข้างต่ำ ดังนั้น ในระยะต่อมาของปฏิกิริยา ควรใช้การทำงานที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเพิ่มการแปลงสภาพ CO ลักษณะทางอุณหพลศาสตร์และจลศาสตร์ของกระบวนการกำหนดว่ากระบวนการแปลงสภาพ CO ควรใช้การทำงานที่อุณหภูมิแปรผันได้
ในระยะเริ่มต้นของปฏิกิริยา กระบวนการยังอยู่ห่างจากขีดจำกัดสมดุลและถูกควบคุมโดยจลศาสตร์ การเพิ่มอุณหภูมิสามารถช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการได้อย่างมาก ในระยะต่อมาของปฏิกิริยา การแปลงสภาพของกระบวนการถูกจำกัดโดยสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ การแปลงสภาพที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ที่อุณหภูมิสูงนั้นค่อนข้างต่ำ ดังนั้น ในระยะต่อมาของปฏิกิริยา ควรใช้การทำงานที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเพิ่มการแปลงสภาพ CO ลักษณะทางอุณหพลศาสตร์และจลศาสตร์ของกระบวนการกำหนดว่ากระบวนการแปลงสภาพ CO ควรใช้การทำงานที่อุณหภูมิแปรผันได้
เนื่องจากข้อจำกัดของสมดุลปฏิกิริยา แม้ว่า CO จะถูกแปลงอย่างสมบูรณ์หลังจากการแปลงก๊าซน้ำที่อุณหภูมิต่ำ แต่ปริมาณของมันยังคงอยู่ที่ประมาณ 1% ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการใช้งานของกระบวนการถัดไปหลายอย่างได้ ในอุตสาหกรรม มักจะกำจัดออกด้วยปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง การออกซิเดชันแบบเลือกของ CO และ O2 ในที่ที่มีไฮโดรเจนจำนวนมากจะสร้าง CO2 และไฮโดรเจนกับ O2 ก็ทำปฏิกิริยากันได้ง่ายเช่นกัน ดังนั้นกระบวนการจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิปฏิกิริยาและชนิดของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเคร่งครัด [29301]
อีกหนึ่งกระบวนการในระดับอุตสาหกรรมคือ การเติมไฮโดรเจนลงใน CO โดยใช้ไฮโดรเจนที่มีอยู่จำนวนมากโดยตรงบนตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีนิกเกลเป็นองค์ประกอบ เพื่อผลิตมีเทน
หลังจากกระบวนการเปลี่ยนรูปก๊าซน้ำและการกำจัด CO แล้ว ส่วนประกอบหลักของก๊าซจะกลายเป็น H2 และ CO2 ในอุตสาหกรรมการผลิตแอมโมเนียสังเคราะห์ จำเป็นต้องแยก CO2 ออกก่อน CO2 เหล่านี้สามารถทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียที่เกิดจากไฮโดรเจนในขั้นตอนถัดไปเพื่อสร้างแอมโมเนียมไบคาร์บอเนต แอมโมเนียมคาร์บอเนต หรือยูเรีย และปุ๋ยเคมีอื่นๆ เพื่อให้ใช้ประโยชน์จาก CO2 ได้อย่างสูงสุด ในกระบวนการนี้ เทคโนโลยีการแยก CO2 และ H2 มีจุดประสงค์หลักเพื่อให้มั่นใจว่า CO2 สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้
สำหรับการใช้งานไฮโดรเจน เช่น เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนโปรตอน จะใช้ไฮโดรเจนเพียงอย่างเดียวแทน CO2 CO2 จะกลายเป็นไอเสียที่ไม่ก่อให้เกิดประโยชน์ ซึ่งอาจต้องนำไปรวมกับกระบวนการแร่ธาตุอื่นๆ (เช่น การผลิตแคลเซียมคาร์บอเนตเกรดอาหาร)
อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการแยก CO2 ทั้งหมด การใช้สารอินทรีย์อะมีนหรือเมทานอลในการดูดซับ CO2 นั้นเป็นวิธีที่ดีกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการดูดซับ CO2 ด้วยเมทานอลที่อุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการละลายของก๊าซหลายชนิดจะสูงขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ มีเพียงไฮโดรเจนเท่านั้นที่ความสามารถในการละลายไม่ถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิ และยิ่งอุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการละลายก็จะยิ่งต่ำลง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเลือกแยก H2 ได้ดี
ในกระบวนการนำ CO2 กลับมาใช้ใหม่ โดยคำนึงถึงการลดผลกระทบต่อปริมาณไฮโดรเจนที่ได้ ควรพยายามหลีกเลี่ยงการใช้สารเคมีราคาแพง (เช่น โซดาไฟ) ที่สามารถทำปฏิกิริยากับ CO2 ได้อย่างรุนแรง เพื่อให้กระบวนการมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ