Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0033

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0033
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук
Название доклада
Разработка научных основ технологии получения очищенного и ультрачистого водорода из биоспиртов
Докладчик
Федотов Алексей Станиславович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка научных основ технологии получения очищенного и ультрачистого водорода с использованием гибридного мембранно-каталитического реактора
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время, основной мировой спрос приходится на постоянно растущее энергопотребление, что может стать причиной скорого истощения природных запасов горючих ископаемых и повлечь за собой серьёзные экологические и экономические последствия планетарного масштаба. По этой причине, развитие направления химии энергоносителей, таких как синтез-газ и водород, из первичных продуктов биомассы и техногенных отходов является перспективным.
К весьма актуальным направлениям также относятся исследования в области газофазных гетерогенно-каталитических реакций в условиях принудительной диффузии молекул субстрата в пространственно-ограниченном объёме, реализованных в пористых мембранных реакторах, в которых процессы протекают более интенсивно, по сравнению с традиционными реакторами с насыпным слоем катализатора, в результате улучшенного массо- и теплообмена. Совмещение процессов риформинга с селективным извлечением водорода из зоны реакции в едином устройстве мембранно-каталитического реактора позволяет увеличить конверсию реагентов, а также повысить выход водорода, пригодного для использования в средне- и низкотемпературных топливных элементах.
Описание исследования

Образцы пористого керамического каталитического конвертера изготавливались методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из высокодисперсных порошков никеля, содержащего до 5% алюминия, добавленного плазмохимическим способом, и оксида кобальта (II, III), взятых в различных соотношениях.

Дополнительная модификация поверхности конвертеров La и Ce-содержащими компонентами с целью усиления каталитической активности проводилась с использованием золь-гель метода.

Каталитические эксперименты по конверсии органических субстратов, таких как метан, этанол и продукты ферментации, с целью совместного получения синтез-газа и ультрачистого водорода (99,999%об.), проводились в проточном режиме на разработанном гибридном мембранно-каталитическом реакторе с интегрированной водородселективной мембраной состава Pd(94%)-Ru(6%). Анализ исходных и продуктовых смесей проводился методами газовой хроматографии и ИК-спектрометрии.

Изучение структуры поверхности конвертеров проводилось с использованием современных методов анализа, таких как SEM, TEM, XRD и XAS.

Изучение последовательности протекания реакций изучаемых процессов проводилось методом прецизионной термогравиметрии (ТГ).

 

 

Результаты исследования

Разработан оригинальный пористый керамический каталитический конвертер для осуществления высокоскоростной конверсии органических субстратов, а именно: процессов парового и углекислотного риформинга метана, этанола и продуктов ферментации в синтез-газ.

Показано, что химические превращения в каналах пористого керамического каталитического конвертера протекают значительно более интенсивно, чем в традиционном реакторе со стационарным слоем насыпного катализатора, что в первом случае, согласно данным кинетических исследований, является следствием улучшенного массо- и теплообмена. Так в процессе углекислотного риформинга метана (УРМ) на конвертере с эквивалентным соотношением никель-кобальтовых компонентов обнаружен синергетический эффект возрастания каталитической активности. Производительность по синтез-газу на данном образце составила 85000 л/ч∙дм3, в то время, как на гранулах это значение было примерно на порядок ниже. При этом важно отметить, что результаты, полученные с использованием конвертеров других составов, были примерно в 2-4 раза ниже.

В результате структурных исследований, проведённых с использованием современных методов анализа, таких как SEM, TEM, XRD и XAS показано, что в процессе приготовления конвертера происходит поверхностная сегрегация активных компонентов, таким образом, на поверхности γ-Al2O3 формируются наноразмерные частицы Ni-Co сплава, размером 10 нм. Методом термогравиметрического анализа установлена последовательность протекания реакций в процессах углекислотного риформинга метана и этанола.

С целью получения чистого водорода, разработан гибридный мембранно-каталитический реактор для совместного получения синтез-газа и чистого водорода, в котором в канал пористого керамического каталитического конвертера интегрирована водородселективная мембрана, состава Pd(94%)-Ru(6%). Конструкция реактора позволяет проводить процесс высокоэффективного парового/углекислотного риформинга органических субстратов и синтетических топлив в синтез-газ совместно с извлечением in situ водорода.

Было показано, что в процессе углекислотного риформинга метана селективное выделение водорода из зоны реакции с использованием Pd-содержащей мембраны позволяет увеличить значение конверсии метана с 42% до 72%.

Было показано, что в процессе парового риформинга этанола и продуктов ферментации биомассы использование мембранно-каталитического реактора позволяет значительно увеличить выход  ультрачистого водорода.

На данный момент, в мировой научной и производственной практике аналогов разрабатываемой нами мембранно-каталитической технологии конверсии органических субстратов не существует. Традиционно в процессах получения синтез-гада и водорода используются проточные реакторы с насыпным слоем катализатора. Мембранные системы, как правило, используются только на стадии разделения продуктов реакции. Такой подход не позволяет достигать высокой производительности по водородсодержащему газу при умеренных температурах, что может быть достигнуто в случае использования гибридного мембранно-каталитического реактора.

Практическая значимость исследования
Полученные в ходе выполнения работы результаты могут быть с высокой эффективностью использованы в энергетической и нефтехимической отраслях промышленности, в которых, образующийся в процессе риформинга органических субстратов в мембранных реакторах синтез-газ и водород, может быть использованы либо в качестве первичного энергоносителя для топливных элементов всех типов, либо как исходный реагент в основных промышленных процессах, протекающих с использованием СО и Н2. Таким образом, на основании предлагаемой технологии могут быть реализованы малогабаритные мобильные или стационарные энергетические установки или компактные малотоннажные производства органического синтеза.
Постер

14.607.21.0033.ppt