Konwersja tlenku węgla z parą wodną

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Konwersja tlenku węgla z parą wodną (konwersja CO) – reakcja chemiczna przekształcenia tlenku węgla i pary wodnej w dwutlenek węgla i wodór. Reakcja ta jest powszechnie wykorzystywana w przemyśle do wzbogacania gazu syntezowego w wodór. Równanie reakcji:

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

Reakcja ta jest egzotermiczna (entalpia reakcji równa jest -41,2 kJ/kmol[1]), co powoduje, że równowaga reakcji jest przesunięta w kierunku produktów tym silniej, im niższa jest temperatura w jakiej zachodzi proces. W zależności od temperatury i zastosowanych katalizatorów wyróżnia się:

  • konwersję wysokotemperaturową (HTS, z ang. Hight Temperature Shift) – zachodzącą w temperaturze 350–550 °C[2], pozwalającą obniżyć zawartość CO do 2 - 4% [1];
  • konwersję średniotemperaturową (MTS, z ang. Middle Temperature Shift) – zachodzącą w temperaturze 280–360 °C[2];
  • konwersję niskotemperaturową (LTS, z ang. Low Temperature Shift) – zachodzącą w temperaturze 180–270 °C[2], pozwalającą obniżyć zawartość CO do 0,1–0,3% [1].

Katalizatory[edytuj | edytuj kod]

Katalizatorem powszechnie stosowanym w przemyśle do przeprowadzania reakcji wysokotemperaturowej konwersji tlenku węgla jest katalizator żelazowo-chromowy[3]. Jest on zwykle dostarczany w postaci utlenionej Fe2O3 z domieszką CrO3. W celu aktywacji katalizator wymaga redukcji (za pomocą gazu procesowego) do formy aktywnej (Fe3O4)[4][5]:

3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

Jeżeli związki chromu również są w formie utlenionej (CrO3), to także muszą zostać zredukowane[4][5]:

2CrO3 + 3H2 → Cr2O3 + 3H2O
2CrO3 + 3CO → Cr2O3 + 3CO2

Do przeprowadzania reakcji niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla stosuje się katalizator miedziowy[6]. Składnikiem aktywnym jest metaliczna miedź. Zwykle znajduje się ona w postaci utlenionej, CuO, która bezpośrednio przez rozpoczęciem procesu musi zostać zredukowana, zwykle w szybkiej reakcji z wodorem[1][5]:

CuO + H2 → Cu + H2O

Katalizator miedziowy jest bardziej podatny na zanieczyszczenia niż katalizator żelazowo-chromowy.

Stosunkowo nowym typem katalizatora jest katalizator miedziowy do konwersji średniotemperaturowej.

Mechanizm[edytuj | edytuj kod]

mechanizm katalitycznej konwersji CO

Mechanizm reakcji jest złożony i obejmuje kilka następujących po sobie reakcji[5].

Cząsteczki wody i tlenku węgla zostają zaadsorbowane na powierzchni katalizatora. Cząsteczka wody ulega dysocjacji na kation wodorowy i anion hydroksylowy (H2O ⇌ H+ + OH). Cząsteczka tlenku węgla zaadsorbowana na powierzchni metalu ([M]-CO) reaguje z anionem hydroksylowym tworząc związek metalu z grupą karboksylową ([M]-COOH). W dalszej kolejności odłącza się cząsteczka dwutlenku węgla, pozostawiając atom wodoru na powierzchni katalizatora. Do niego przyłącza się kation wodorowy z dysocjacji wody i uwalnia się cząsteczka H2.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 M.V. Twigg: Catalyst Handbook (2nd ed.). Wolfe, 1989. ISBN 0723408572. (ang.)
  2. 2,0 2,1 2,2 A. Alijani, A. Irankhah: Medium-Temperature Shift Catalysts for Hydrogen Purification in a Single-Stage Reactor. Wolfe, 2013, s. 209-219. ISBN 0723408572. (ang.)
  3. Katalizator żelazowo-chromowy. Grupa Azoty. [dostęp 2013-06-19].
  4. 4,0 4,1 Hawker, P.N.. Shift CO plus steam to H2.. „Hydrocarbon Processing”. 61 (4), s. 183-187, 1982. 
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 G.Brenna: New Catalyst for H2 Production by Water Gas Shift Reaction Process. 2010. (ang.)
  6. Katalizator miedziowy. Grupa Azoty. [dostęp 2013-06-19].