Sản xuất hydro từ khí nước

Trong bất kỳ quy trình công nghiệp nào sản xuất khí tổng hợp, việc sử dụng phản ứng chuyển hóa khí nước để chuyển đổi CO thành hydro là một khâu thiết yếu.
Phản ứng này là một phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt. Nhiệt độ càng cao, hiệu suất chuyển hóa cân bằng tương ứng càng thấp. Đồng thời, phản ứng này là một phản ứng xúc tác điển hình. Khi không có chất xúc tác, phản ứng khó xảy ra ở 700°C. Khi có chất xúc tác, nhiệt độ phản ứng giảm đáng kể. Khi sử dụng chất xúc tác chuyển dịch nhiệt độ cao, nhiệt độ phản ứng là 300 ~ 500°C; khi sử dụng chất xúc tác chuyển dịch nhiệt độ thấp, nhiệt độ phản ứng là 200-400°C (bảng 22). Vì phản ứng là phản ứng đẳng phân tử, áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng, nhưng việc vận hành dưới áp suất có thể cải thiện cường độ sản xuất và tốc độ phản ứng.
Ở giai đoạn đầu của phản ứng, quá trình còn xa giới hạn cân bằng và được kiểm soát bởi động học. Tăng nhiệt độ có thể cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng và nâng cao hiệu quả của quá trình. Ở giai đoạn sau của phản ứng, hiệu suất chuyển hóa bị giới hạn bởi cân bằng nhiệt động học. Hiệu suất chuyển hóa cân bằng nhiệt động học ở nhiệt độ cao tương đối thấp. Do đó, ở giai đoạn sau của phản ứng, nên áp dụng phương pháp vận hành ở nhiệt độ thấp để cải thiện hiệu suất chuyển hóa CO. Các đặc tính nhiệt động học và động học của quá trình quyết định rằng quá trình chuyển hóa CO nên áp dụng phương pháp vận hành ở nhiệt độ thay đổi.
Ở giai đoạn đầu của phản ứng, quá trình còn xa giới hạn cân bằng và được kiểm soát bởi động học. Tăng nhiệt độ có thể cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng và nâng cao hiệu quả của quá trình. Ở giai đoạn sau của phản ứng, hiệu suất chuyển hóa bị giới hạn bởi cân bằng nhiệt động học. Hiệu suất chuyển hóa cân bằng nhiệt động học ở nhiệt độ cao tương đối thấp. Do đó, ở giai đoạn sau của phản ứng, nên áp dụng phương pháp vận hành ở nhiệt độ thấp để cải thiện hiệu suất chuyển hóa CO. Các đặc tính nhiệt động học và động học của quá trình quyết định rằng quá trình chuyển hóa CO nên áp dụng phương pháp vận hành ở nhiệt độ thay đổi.
Do hạn chế về cân bằng phản ứng, mặc dù CO được chuyển hóa sâu sau quá trình chuyển hóa khí nước ở nhiệt độ thấp, hàm lượng của nó vẫn còn khoảng 1%, không thể đáp ứng yêu cầu sử dụng của nhiều quy trình tiếp theo. Trong công nghiệp, nó thường được loại bỏ bằng một số phản ứng hóa học. Quá trình oxy hóa chọn lọc CO và O2 khi có mặt một lượng lớn hydro tạo ra CO2, và hydro và O2 cũng dễ phản ứng với nhau. Do đó, quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ phản ứng và loại chất xúc tác [29301].
Một quy trình công nghiệp hóa khác là quá trình hydro hóa CO với một lượng lớn hydro có sẵn trực tiếp trên chất xúc tác gốc niken để sản xuất metan.
Sau quá trình chuyển hóa khí nước và loại bỏ CO, các thành phần chính của khí trở thành H2 và CO2. Trong ngành công nghiệp sản xuất amoniac tổng hợp, CO2 cần được tách ra trước tiên. CO2 này có thể tiếp tục phản ứng với amoniac được tạo ra từ hydro ở giai đoạn tiếp theo để tạo ra amoni bicacbonat, amoni cacbonat hoặc urê và các loại phân bón hóa học khác nhằm tối đa hóa việc sử dụng CO2. Trong quá trình này, công nghệ tách CO2 và H2 chủ yếu nhằm đảm bảo CO2 có thể được tái sử dụng.
Đối với các ứng dụng hydro như pin nhiên liệu màng proton, chỉ sử dụng hydro thay vì CO2. CO2 trở thành khí thải vô dụng, có thể cần được kết hợp với các quy trình khoáng hóa khác (chẳng hạn như sản xuất canxi cacbonat dùng trong thực phẩm).
Tuy nhiên, trong tất cả các quy trình tách CO2, việc sử dụng amin hữu cơ hoặc methanol để hấp thụ CO2 là phương pháp tốt hơn. Đặc biệt trong quá trình hấp thụ CO2 bằng methanol ở nhiệt độ thấp, độ hòa tan của nhiều khí sẽ tăng lên ở nhiệt độ thấp. Chỉ có độ hòa tan của hydro là không bị giới hạn bởi nhiệt độ, và nhiệt độ càng thấp thì độ hòa tan càng thấp. Điều này cho thấy tính chọn lọc tốt trong việc tách H2.
Trong quá trình thu hồi CO2, trên cơ sở tránh làm giảm hiệu suất thu được hydro, cần cố gắng tránh sử dụng các chất phản ứng đắt tiền (như xút ăn da) có thể kết hợp mạnh với CO, để đảm bảo tính kinh tế của quá trình.