Untuk membuat hidrogen murni, pabrik terlebih dahulu menghasilkan CO, gas beracun yang kemudian harus disingkirkan sampai tersisa 0,3 persen.
0:00
0:41
Klik tombol ▶ di judul bagian artikel untuk lompat ke detiknya di video. Bagian yang sedang diputar akan menyala.
Hidrogen produk berasal dari air, bukan dari CO
Reaksi water-gas shift adalah CO + H₂O → CO₂ + H₂, eksotermik dengan ΔH sekitar minus 41 kJ per mol. Reaksi ini adalah tulang punggung pabrik hidrogen karena mengubah CO yang tidak diinginkan menjadi H₂ tambahan [1].
Perlu diluruskan bahwa atom hidrogen pada produk H₂ berasal dari air (steam), bukan dari CO. CO menyumbang karbonnya untuk dibawa pergi sebagai CO₂.
Tahap suhu tinggi: HTS untuk kecepatan reaksi
Tahap pertama adalah HTS (high temperature shift) pada 350 sampai 450°C dengan katalis Fe-Cr. Suhu tinggi membuat reaksi berjalan cepat, dan kadar CO turun dari sekitar 15 persen menjadi 3 persen [1][2].
Sebagian besar pekerjaan selesai pada tahap ini, tetapi 3 persen masih jauh dari cukup bersih untuk hidrogen murni. Menyelesaikan sisanya pada suhu setinggi ini tidak efisien, karena kesetimbangan reaksi eksotermik memburuk saat panas.
Pendinginan di tengah dan pemulihan panasnya
Di antara kedua tahap, gas didinginkan. Panas dari reaksi eksotermik tahap pertama tidak dibuang begitu saja, melainkan dipulihkan untuk menghasilkan steam.
Pendinginan ini melayani dua tujuan sekaligus: menyiapkan gas ke suhu tahap kedua yang lebih rendah, dan memulihkan energi reaksinya sebagai utilitas yang berguna [1].
Tahap suhu rendah: LTS untuk ketuntasan reaksi
Tahap kedua adalah LTS (low temperature shift) pada 200 sampai 250°C dengan katalis Cu-Zn, menurunkan CO dari 3 persen menjadi 0,3 persen. Katalisnya berbeda karena suhunya berbeda; satu katalis tidak cocok untuk dua rezim suhu ini [1][2].
Setelah CO₂ disingkirkan dan gas dimurnikan melalui PSA, hasilnya adalah hidrogen murni 99,99 persen. Dua tahap reaktor dengan pendingin di tengah merupakan kompromi yang menyelesaikan konflik klasik: kesetimbangan menyukai dingin, kinetika menyukai panas.
Fakta kunci
Reaksi shift eksotermik dengan delta H sekitar minus 41 kJ per mol. Atom H di H2 produk berasal dari air (steam), bukan dari CO.
HTS (high temperature shift) 350 sampai 450°C katalis Fe-Cr menurunkan CO dari 15% jadi 3%. Setelah didinginkan dan panasnya dipanen jadi steam, LTS (low temperature shift) 200 sampai 250°C katalis Cu-Zn menurunkan CO dari 3% jadi 0,3%.
Gas kaya H2 lalu ke CO2 removal dan PSA menghasilkan H2 murni 99,99%. Dua tahap diperlukan karena satu suhu tidak bisa cepat sekaligus tuntas.
Kesimpulannya
Shift berarti CO menjadi H2. Dua tahap reaktor (HTS kemudian LTS) dengan pendingin di tengahnya merupakan kompromi antara kecepatan reaksi dan kesetimbangan.
Referensi
Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. (2012). Hydrogen. Wiley-VCH.
Newsome, D. S. (1980). The Water-Gas Shift Reaction. Catalysis Reviews: Science and Engineering, 21(2).
Cek paham (interaktif)
Mengapa water-gas shift dibuat dalam dua tahap, HTS dan LTS?
HTS berlangsung cepat pada suhu tinggi tetapi tidak tuntas. LTS pada suhu rendah menggeser kesetimbangan hingga CO tersisa 0,3%. Pendingin di tengah memanen panasnya menjadi steam.
Tonton versi Reel-nya
Tonton versi singkatnya sebagai Reel di Instagram, atau baca versi lengkapnya di sini sambil lompat ke detik yang mau diulang.