Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных основ технологии получения очищенного и ультрачистого водорода из биоспиртов

Докладчик: Цодиков Марк Вениаминович

Должность: Заведующий лабораторией

Цель проекта:
1. Задачей настоящего проекта является разработка научных основ технологии получения очищенного и ультрачистого водорода с использованием гибридного мембранно-каталитического реактора. 2. Целью реализуемого проекта является разработка гибридного мембранно-каталитического реактора и научных основ технологии совместного получения синтез-газа и ультрачистого водорода на базе Ni-Co-содержащего пористого керамического мембранно-каталитического конвертера (ПКМКК) высокоскоростного получения синтез-газа методом парового риформинга продуктов ферментации, интегрированного с селективной по водороду палладийсодержащей мембраной.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Полученные в ходе работы результаты, должны обеспечить создание научно-технического задела для получения очищенного и ультрачистого водорода. Для выполнения поставленной задачи будет проведён обзор и анализ современной патентной, научно-технической, нормативной, методической литературы в области разработки малогабаритных мембранно-каталитических генераторов водорода для их использования в конструкции топливных элементов, по результатам чего будет представлено обоснование выбора направления исследований. Будут проведены исследования и представлены результаты физико-химических анализов структуры и состава Ni-Co-содержащих пористых керамических мембранно-каталитических конвертеров (ПКМКК), полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Будут проведены исследования процесса паровой конверсии продуктов ферментации в синтез-газ с селективным выделением ультрачистого водорода на палладийсодержащем элементе. По результатам исследований будет создан оригинальный исследовательский макет мембранно-каталитической установки конверсии органических субстратов в водородсодержащий газ, основным элементом которой будет являться заявленный гибридный мембранный реактор. Согласно заявленным индикаторам Соглашения будут проведены мероприятия по популяризации научно-исследовательских результатов как внутрироссийских, так и международного значения, опубликованы статьи в научных изданиях и правоохранные документы.

2. Будет разработан гибридный мембранно-каталитический реактор совместного получения синтез-газа (Н2/СО~ 1) и ультрачистого водорода (99,999 %об.), сочетающий в себе термоустойчивые (до 1500 оС) Ni-Co-содержащие пористые керамические мембранно-каталитические конвертеры (ПКМКК) пальчиковой конфигурации, приготовленные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из смесей высокодисперсных промышленных порошков никеля и кобальта, взятых в соотношении %масс. 100-0, 95-5, 80-20, 50-50, 0-100, обладающие пористостью более 40% и диаметром пор 1-3 мкм, обеспечивающие высокоскоростное протекание процессов парового риформинга продуктов ферментации при температурах 500-650оС и объемной скорости подачи субстратов не менее 10 - 20 л/ч, с одновременным селективным выделением ультрачистого водорода через палладий-содержащую мембрану. Данный реактор будет обеспечивать производительность по синтез-газу не менее 20000 л/дм3∙ч, из которых не менее 30-40% дополнительно ультрачистого водорода.

3. Идея реализуемого гибридного мембранно-каталитического реактора совместного получения синтез-газа и ультрачистого водорода является оригинальной и превосходит известные на данный момент аналоги.

4. Согласно имеющимся данным, в настоящий момент в мире существуют гибридные устройства, состоящие из традиционного проточного реактора идеального вытеснения, содержащего загруженные гранулы катализатора риформинга и встроенные в этот реактор трубчатые мембранные стержни, состоящие из палладийсодержащих мембран или цеолитных систем. В отечественных научных школах нет аналогов предлагаемой технологии.
Преимуществом предлагаемого подхода является то, что стенки пористого реактора являются высокоактивными в процессе риформинга существенно превосходящие активность загруженных гранул катализатора. Интенсификация процесса в таком конвертере обусловлена особенностью протекания процессов в режиме принудительной диффузии сырья в пространственно ограниченном объеме каталитических пор, которые по существу являются ансамблем нанореакторов. Таким образом, предлагаемая гибридная система может обеспечить высокую производительность по получению водородсодержащего газа при существенно меньших габаритах. Важно также отметить, что цеолитсодержащие системы, обладающие молекулярно-ситовыми свойствами являются механически непрочными в условиях протекания эндотермических реакций риформинга и легко разрушаются при воздействии паров воды при высоких температурах.
Существующие аналоги для получения водорода, основанные на применении первоскитных и промышленных мезопористых керамических мембран, ограничены верхним пределом производительности по водороду ~ 0,01 л/ч∙см2, в то время как на ПКМКК этот параметр превышает 7 л/ч∙см2.
5. Заявленные результаты будут получены с использованием новейших методов синтеза пористых керамических материалов и наноразмерных катализаторов, анализ их структуры будет проведён с привлечением современных методов структурного анализа, таких как SEM, TEM, EDX, XAFS, XRD и т.д. Каталитические эксперименты будут проведены на оригинальной разрабатываемой мембранно-каталитической установке, основным элдементом которой является гибридный мембранный реактор.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные результаты могут быть использованы для разработки устройств и процессов на их основе для химической и нефтехимической промышленности, а также в области энергетики для разработки малогабаритных энергетических станций на основе топливных элементов всех известных на данный момент типов. В настоящее время малогабаритные энергетические станции являются перспективными для использования на летательных аппаратах, водном и наземном транспорте нового поколения, а также для обеспечения локальных отдаленных объектов.

2. Полученные в данной НИР результаты могут быть в дальнейшем задействованы при проведении НИОКР и ОКР для разработки химических и нефтехимических процессов, основанных на использовании синтез-газа и водорода, а также для создания малогабаритных и портативных систем энергоснабжения с использованием топливных элементов, работающих на водородсодержащем газе.

3. Полученные результаты смогут стать основой для создания новейших прорывных технологий в области химии, нефтехимии и энергетики.

Текущие результаты проекта:
На данный момент, согласно Календарному плану, проведён анализ научно-технической и правоохранной литературы, на основании чего составлен аналитический обзор по технологии получения очищенного и ультрачистого водорода из биоспиртов, приведено обоснование выбора направления исследований и сравнительная оценка вариантов возможных решений поставленной задачи. Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление гибридного мембранного реактора.