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Wassergas-Shift-Reaktion
Die Reaktionsenthalpie von −41,2 kJ/mol ist recht niedrig. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das chemische Gleichgewicht von den Reaktionsprodukten …
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Grundprinzip
Die Wassergas-Shift-Reaktion, kurz WGS oder Wassergas-Konvertierungsreaktion, ist ein Verfahren, mit dem der Anteil von Kohlenstoffmonoxid (CO) in Synthesegas verringert und Wasserstoff (H2) erzeugt wird. Historisch wurde sie auch Kohlenoxid-Konvertierung genannt. Die Reaktionsgleichung ist als Konvertierungsgleichgewicht bekannt:
CO + H2O ⇌ CO2 + H2
Dabei reagiert Kohlenstoffmonoxid unter Zugabe von Wasserdampf (H2O) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2). Die Standard-Reaktionsenthalpie bei 298 K beträgt ΔHR 298° = -41,2 kJ/mol. Das negative Vorzeichen bedeutet, dass die Reaktion Wärme abgibt.
Temperatur und Gleichgewicht
Die Reaktion hängt stark von der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das chemische Gleichgewicht von den Produkten CO2 und H2 zurück zu den Edukten CO und H2O. Das ist für die gewünschte Wasserstoffbildung ungünstig.
Bei etwa 1100 K, also ungefähr 830 °C, beträgt die freie molare Gibbs-Enthalpie 0 kJ/mol. Die Gleichgewichtskonstante beträgt dann 1. Das bedeutet, dass unter diesen Bedingungen weder Produkte noch Edukte besonders stark bevorzugt sind.
Technische Durchführung
Bei höherer Temperatur läuft die Reaktion zwar schneller ab, die Lage des chemischen Gleichgewichts ist dann aber ungünstiger. Bei niedrigeren Temperaturen ist das Gleichgewicht günstiger, die Reaktion wäre ohne Unterstützung jedoch langsamer. Deshalb werden Katalysatoren eingesetzt. Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigt, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden.
Eisen(III)-oxid-Katalysatoren beschleunigen die Umsetzung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 250 bis 450 °C. In chemischen Reaktoren wird die Wassergas-Shift-Reaktion oft zweistufig durchgeführt: zuerst in einer Hochtemperatur-Shiftstufe (HT-Shift) und danach in einer Niedertemperatur-Shiftstufe (NT-Shift). Je nach Betriebsweise des Reaktors lässt sich der CO-Gehalt dadurch auf 0,13 bis 1,5 Vol.-% absenken.
