水ガスからの水素製造

合成ガスを生成する工業プロセスでは、水性ガスシフト反応の進行を利用して CO を水素に変換することが不可欠です。
この反応は可逆的な発熱反応です。 温度が高くなるほど、対応する平衡転化率は低くなります。 同時に、この反応は典型的な触媒反応でもあります。 触媒が存在しない場合、700℃で反応することは困難です。触媒が存在すると、反応温度が大幅に低下します。 高温シフト触媒を使用する場合、反応温度は300〜500℃です。 低温シフト触媒を使用する場合、反応温度は２００～４００℃である（表２２）。 反応は等分子反応であるため、圧力は反応平衡に影響を与えませんが、加圧操作により生成強度と反応速度が向上します。
反応の初期段階では、プロセスは平衡限界から遠く離れており、反応速度論によって制御されます。 温度を上げると、反応速度が大幅に向上し、プロセス効率が向上します。 反応の後期段階では、プロセスの変換率は熱力学的平衡によって制限されます。 高温での熱力学的平衡変換は比較的低いです。 したがって、反応の後期段階では、CO 転化率を向上させるために低温操作を採用する必要があります。 プロセスの熱力学的および速度論的特性により、CO 変換プロセスは可変温度操作を採用する必要があることが決まります。
反応の初期段階では、プロセスは平衡限界から遠く離れており、反応速度論によって制御されます。 温度を上げると、反応速度が大幅に向上し、プロセス効率が向上します。 反応の後期段階では、プロセスの変換率は熱力学的平衡によって制限されます。 高温での熱力学的平衡変換は比較的低いです。 したがって、反応の後期段階では、CO 転化率を向上させるために低温操作を採用する必要があります。 プロセスの熱力学的および速度論的特性により、CO 変換プロセスは可変温度操作を採用する必要があることが決まります。
反応バランスの制限により、CO は低温水ガス変換後に深く変換されますが、その含有量は依然として約 1% であり、その後の多くのプロセスの使用要件を満たすことができません。 産業では、通常、何らかの化学反応によって除去されます。 多量の水素の存在下でCOとO2が選択的に酸化されるとCO2が生成され、水素とO2も反応しやすくなります。 したがって、プロセスは反応温度と触媒の種類に厳密に依存します [29301]。
もう一つの工業化されたプロセスは、ニッケルベースの触媒上で直接、大量の既存の水素を用いてCOを水素化し、メタンを生成するものである。
水性ガスの変換と CO の除去後、ガスの主成分は H2 と CO2 になります。 合成アンモニア産業では、最初に CO2 を分離する必要があります。 この CO2 は、後続の水素によって生成されるアンモニアと反応し続け、重炭酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、尿素などの化学肥料を生成し、CO2 を最大限に利用することができます。 このプロセスにおいて、CO2とH2の分離技術は主にCO2を確実にリサイクル利用できるようにするためのものです。
プロトン膜燃料電池などの水素用途では、CO2 の代わりに水素のみが使用されます。 CO2 は無駄な排出物となるため、他の鉱化プロセス (食品グレードの炭酸カルシウムの生産など) と組み合わせる必要がある場合があります。
ただし、CO2 分離のすべてのプロセスにおいて、有機アミンまたはメタノールを使用して CO2 を吸収する方が良い方法です。 特に低温でのメタノールによる CO2 吸収の過程では、多くのガスの溶解度が低温で高くなります。 水素の溶解度だけは温度によって制限されず、温度が低くなると溶解度は低くなります。 H2 分離において良好な選択性を示します。
CO2を回収するプロセスでは、水素収率へのダメージを避けることを前提として、プロセスの経済性を確保するために、COと強く結合する可能性のある高価な試薬（苛性ソーダなど）の使用を避けるように努めてください。