Wasserstoffproduktion aus Wassergas

In jedem industriellen Prozess zur Erzeugung von Synthesegas ist es ein wesentliches Bindeglied, den Fortschritt der Wassergas-Konvertierungsreaktion zur Umwandlung von CO in Wasserstoff zu nutzen.
Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine reversible exotherme Reaktion. Je höher die Temperatur, desto geringer ist der entsprechende Gleichgewichtsumsatz. Gleichzeitig handelt es sich bei dieser Reaktion um eine typische katalytische Reaktion. Wenn kein Katalysator vorhanden ist, ist die Reaktion bei 700 °C schwierig. In Gegenwart eines Katalysators wird die Reaktionstemperatur stark gesenkt. Bei Verwendung eines Hochtemperatur-Konvertierungskatalysators beträgt die Reaktionstemperatur 300 bis 500 ° C; Bei Verwendung des Niedertemperatur-Konvertierungskatalysators beträgt die Reaktionstemperatur 200–400 °C (Tabelle 22). Da es sich bei der Reaktion um eine isomolekulare Reaktion handelt, hat der Druck keinen Einfluss auf das Reaktionsgleichgewicht, der Druckbetrieb kann jedoch die Produktionsintensität und Reaktionsgeschwindigkeit verbessern.
Im Anfangsstadium der Reaktion ist der Prozess weit von der Gleichgewichtsgrenze entfernt und wird durch die Kinetik gesteuert. Eine Erhöhung der Temperatur kann die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich verbessern und die Prozesseffizienz verbessern. Im späteren Stadium der Reaktion wird die Umwandlung des Prozesses durch das thermodynamische Gleichgewicht begrenzt. Der thermodynamische Gleichgewichtsumsatz bei hoher Temperatur ist relativ gering. Daher sollte im späteren Stadium der Reaktion auf einen Betrieb bei niedriger Temperatur umgestellt werden, um die CO-Umwandlung zu verbessern. Die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften des Prozesses bestimmen, dass der CO-Umwandlungsprozess einen Betrieb mit variabler Temperatur übernehmen sollte.
Im Anfangsstadium der Reaktion ist der Prozess weit von der Gleichgewichtsgrenze entfernt und wird durch die Kinetik gesteuert. Eine Erhöhung der Temperatur kann die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich verbessern und die Prozesseffizienz verbessern. Im späteren Stadium der Reaktion wird die Umwandlung des Prozesses durch das thermodynamische Gleichgewicht begrenzt. Der thermodynamische Gleichgewichtsumsatz bei hoher Temperatur ist relativ gering. Daher sollte im späteren Stadium der Reaktion auf einen Betrieb bei niedriger Temperatur umgestellt werden, um die CO-Umwandlung zu verbessern. Die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften des Prozesses bestimmen, dass der CO-Umwandlungsprozess einen Betrieb mit variabler Temperatur übernehmen sollte.
Aufgrund der Einschränkung des Reaktionsgleichgewichts liegt CO nach der Wassergasumwandlung bei niedriger Temperatur zwar tiefgreifend um, sein Gehalt liegt jedoch immer noch bei etwa 1 %, was den Nutzungsanforderungen vieler Folgeprozesse nicht gerecht werden kann. In der Industrie wird es normalerweise durch einige chemische Reaktionen entfernt. Durch die selektive Oxidation von CO und O2 in Gegenwart einer großen Menge Wasserstoff entsteht CO2, und Wasserstoff und O2 reagieren ebenfalls leicht. Daher hängt der Prozess stark von der Reaktionstemperatur und der Art des Katalysators ab [29301].
Ein weiterer industrialisierter Prozess ist die Hydrierung von CO mit einer großen Menge vorhandenem Wasserstoff direkt an einem Katalysator auf Nickelbasis zur Herstellung von Methan.
Nach der Wassergasumwandlung und der CO-Entfernung werden die Hauptbestandteile des Gases zu H2 und CO2. In der synthetischen Ammoniakindustrie muss zunächst CO2 abgetrennt werden. Dieses CO2 kann im nachfolgenden Abschnitt weiter mit dem durch Wasserstoff erzeugten Ammoniak reagieren, um Ammoniumbicarbonat, Ammoniumcarbonat oder Harnstoff und andere chemische Düngemittel zu erzeugen und so die maximale Nutzung von CO2 zu erreichen. Bei diesem Prozess dient die Trenntechnologie von CO2 und H2 hauptsächlich dazu, sicherzustellen, dass CO2 recycelt werden kann.
Für Wasserstoffanwendungen wie Protonenmembran-Brennstoffzellen wird anstelle von CO2 nur Wasserstoff verwendet. CO2 wird zu nutzlosen Emissionen, die möglicherweise mit anderen Mineralisierungsprozessen kombiniert werden müssen (z. B. der Herstellung von Kalziumkarbonat in Lebensmittelqualität).
Bei allen Prozessen der CO2-Abtrennung ist es jedoch besser, organisches Amin oder Methanol zur CO2-Absorption zu verwenden. Insbesondere bei der CO2-Absorption durch Methanol bei niedriger Temperatur wird die Löslichkeit vieler Gase bei niedriger Temperatur höher. Lediglich die Löslichkeit von Wasserstoff ist nicht durch die Temperatur begrenzt, und je niedriger die Temperatur, desto geringer die Löslichkeit. Es zeigt eine gute Selektivität für die H2-Abtrennung.
Versuchen Sie bei der Rückgewinnung von CO2, unter der Prämisse, Schäden an der Wasserstoffausbeute zu vermeiden, die Verwendung teurer Reagenzien (wie Natronlauge), die sich stark mit CO verbinden können, zu vermeiden, um die Wirtschaftlichkeit des Prozesses sicherzustellen.