Konwersja tlenku węgla z parą wodną

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. Reakcję odkrył i opisał w 1780 roku włoski fizyk Felice Fontana.

Równanie reakcji:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

Reakcja ta jest egzotermiczna (entalpia reakcji równa jest -41,2 kJ/kmol), 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, pozwalającą obniżyć zawartość CO do 2 - 4%;
• konwersję średniotemperaturową (MTS, z ang. Middle Temperature Shift) – zachodzącą w temperaturze 280–360 °C;
• konwersję niskotemperaturową (LTS, z ang. Low Temperature Shift) – zachodzącą w temperaturze 180–270 °C, pozwalającą obniżyć zawartość CO do 0,1–0,3%.

Katalizatory

Katalizatorem powszechnie stosowanym w przemyśle do przeprowadzania reakcji wysokotemperaturowej konwersji tlenku węgla jest katalizator żelazowo-chromowy. 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):

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

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

2CrO₃ + 3H₂ → Cr₂O₃ + 3H₂O

2CrO₃ + 3CO → Cr₂O₃ + 3CO₂

Do przeprowadzania reakcji niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla stosuje się katalizator miedziowy. 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:

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

mechanizm katalitycznej konwersji CO

Mechanizm reakcji jest złożony i obejmuje kilka następujących po sobie reakcji.

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.