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[1].

Równanie reakcji:

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

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

Katalizatory

Katalizatorem powszechnie stosowanym w przemyśle do przeprowadzania reakcji wysokotemperaturowej konwersji tlenku węgla jest katalizator żelazowo-chromowy[4]. 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)[5][6]:

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

Jeżeli związki chromu również są w formie utlenionej (CrO3), to także muszą zostać zredukowane[5][6]:

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

Do przeprowadzania reakcji niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla stosuje się katalizator miedziowy[7]. 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[2][6]:

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 katalitycznej konwersji CO

Mechanizm reakcji jest złożony i obejmuje kilka następujących po sobie reakcji[6].

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

  1. ↑ Panagiotis, Smirniotis, Water gas shift reaction : research developments and applications, Amsterdam, ISBN 978-0-444-63353-8, OCLC 911032841 [dostęp 2019-02-03].
  2. ↑ a b c d M.V. Twigg: Catalyst Handbook (2nd ed.). Wolfe, 1989. ISBN 0-7234-0857-2. (ang.).
  3. ↑ a b c A. Alijani, A. Irankhah, Medium-Temperature Shift Catalysts for Hydrogen Purification in a Single-Stage Reactor, „Chemical Engineering & Technology”, 36, Wolfe, 2013, s. 209-219, ISBN 0-7234-0857-2 (ang.).
  4. ↑ Katalizator żelazowo-chromowy. Grupa Azoty. [dostęp 2013-06-19]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-05-17)].
  5. ↑ a b Hawker, P.N.. Shift CO plus steam to H2.. „Hydrocarbon Processing”. 61 (4), s. 183-187, 1982. 
  6. ↑ a b c d G.Brenna: New Catalyst for H2 Production by Water Gas Shift Reaction Process. 2010. (ang.).
  7. ↑ Katalizator miedziowy. Grupa Azoty. [dostęp 2013-06-19]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-05-17)].