Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0024

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0024
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет"
Название доклада
Частичное каталитическое окисление биогаза и реформинг пиролизного масла (биомасла) для автотермического получения синтез-газа и конверсии в топливо
Докладчик
Сульман Эсфирь Михайловна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка и тестирование современных высокоэффективных катализаторов для реализации промышленно значимых процессов преобразования биологических ресурсов в жидкое топливо.
В частности, в рамках проекта должны быть созданы научные основы эффективных и экологичных способов конверсии целлюлозной биомассы в сырьё для производства биотоплива второго поколения и химического синтеза. Предполагается провести исследование физико-химических закономерностей процессов гидролиза целлюлозы в субкритической воде с оценкой влияния ультразвуковой предобработки её водных дисперсий; исследование физико-химических закономерностей процесса гидрирования глюкозы в условиях микрореактора непрерывного действия; исследование физико-химических закономерностей процесса гидролитического гидрирования целлюлозы до многоатомных спиртов в среде субкритической воды с использованием каталитических систем нового типа на основе сверхсшитого полистирола.
Кроме того, настоящий проект направлен на разработку каталитических процессов получения топлива из метанола. С этой целью синтезированные катализаторы должны быть протестированы с учетом всех возможных химических маршрутов конверсии метанола с тем, чтобы свести к минимуму потери от протекания побочных реакций.
Актуальность и новизна исследования
Успех реализации программ по энергогенрации и энергосбережению неразрывно связан с разработкой технологий, использующих нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.
В настоящее время энергия, получаемая за счет возобновляемых источников в «старых» Европейских странах составляет 6% от общего энергопотребления, в этом объеме энергия, получаемая за счет использования биомассы, составляет 62%. В «новых» странах Европейского сообщества вклад возобновляемых энергоресурсов равен 4,6%; а вклад энергетического использования биомассы в эту величину, соответственно, 84%.
Применение каталитических технологий при производстве топлив позволяет интенсифицировать процессы рафинирования и облагораживания низкосортного природного сырья, приводя к снижению стоимости и повышению экологичности топлив. Такие технологии могут быть применены и применяются для переработки возобновляемых источников, таких как биомасса.
Значительный потенциал биоэнергетики связан, прежде всего, с тем, что топливо, получаемое при переработке биомассы, является частью естественного кругооборота веществ в природе, не влияет на климат и содействует созданию новых рабочих мест. Вещества, взятые из окружающей среды, возвращаются назад, и при грамотной эксплуатации этот процесс бесконечен. Не менее актуальной является разработка новых технологий утилизации органических отходов с целью получения энергии. После Всемирной конференции по окружающей среде (Рио-де-Жанейро, 1992) во всех промышленно развитых странах, странах с переходной экономикой и во многих развивающихся странах начали разрабатываться стратегии устойчивого развития, включающие природоохранные аспекты.
Описание исследования

В ходе работ по проекту установлены оптимальные условия процесса гидролиза микрокристаллической целлюлозы при использовании реактора высокого давления периодического действия PARR 4843:

- температура процесса 230 °С;

- время процесса 60 мин (при скорости нагрева реактора до рабочей температуры 5,25 °С/мин);

- газовая фаза - водород под давлением 60 атм;

- число оборотов пропеллерной мешалки 600 об./мин;

- соотношение целлюлоза/вода 1/60;

- плотность заполнения реактора 0,6 г/см3.

При указанных условиях были получены следующие показатели процесса гидролиза:

- конверсия целлюлозы 51,0 ± 3,0 %;

- выход глюкозы 11,5 ± 1,5 %;

- итоговое значение степени полимеризации целлюлозы 62,0 ± 4,5.

Исходя из полученных в ходе исследования данных, можно сделать следующие выводы:

- наиболее оптимальной является обработка водных дисперсий целлюлозы ультразвуком в режиме, соответствующем 100 % относительной амплитуды колебаний зонда гомогенизатора;

- оптимальное время обработки 30 минут (~ 150 кДж). За данный промежуток времени происходит деструкция и частичный гидролиз аморфной части целлюлозы, чем обусловлено увеличение степени конверсии целлюлозы в среде субкритической воды и выхода глюкозы. Увеличение времени обработки приводит к незначительному повышению данных показателей и является нецелесообразной;

- в результате гидролиза обработанной УЗ (А = 100 %, время 30 мин) целлюлозы в субкритической воде при температуре 230 °С, парциальном давлении водорода 60 атм, времени процесса 60 мин, 600 об./мин,  соотношении целлюлоза/вода – 1/60 (масс.) и плотности заполнения реактора – 0,6 г/см3, были получены следующие значения: степень конверсии целлюлозы 89,0 %; выход глюкозы 16,4 %; выход сорбитола 7,0 %; итоговая степень полимеризации 19,4 %;

- в субкритической воде при температуре около 180 °С целлюлоза подвергается последовательной деполимеризации до олигосахаридов (в том числе водорастворимых со степенью полимеризации 8), дисахаридов (целлобиоза) и моносахаров (глюкозы), затем гидролизу. Глюкоза подвергается частичной карамелизации и, в некоторой степени, гидрированию (под атмосферой водорода) с образованием различных продуктов. Например, фруктозы, 5-гидроксиметилфурфурола(5-ГМФ), фурфурола, пирувальдегида, левоглюкозана, сорбитола, различных ди-, три-, тетра-, пента- и гексаолов;

- при более высоких температурах (230 °С и более) и/или более длительном времени реакции происходит реполимеризация, конденсация и пиролиз данных низкомолекулярных соединений с образованием жидких масел и карбонизатов целлюлозы, содержащих соединения с ароматическими фрагментами в химической структуре.

Результаты исследования

В рамках реализации первого этапа проекта достигнуты следующие значимые научные и научно-технические результаты: подготовлен аналитический обзор научных литературных и патентных источников по теме проекта; осуществлены выбор и обоснование направления исследований, составлен экспериментальный план выполнения последующих этапов работ; разработана методика обработки водных дисперсий целлюлозы мощным ультразвуком, выполнена оценка влияния ультразвука на характеристики целлюлозы; разработана методика гидролиза целлюлозы в среде субкритической воды в реакторах высокого давления; разработаны новые катализаторы с определенным размером частиц и определенной морфологией, стехиометрией, большой удельной поверхностью и высокой стабильностью; осуществлен выбор цеолита для синтеза катализаторов; проведен синтез гидрофильных цеолитов в виде мелких кристаллов для исключения внутридиффузионных торможений; выполнена модификация структуры цеолитов деалюминированием и заменой алюминия другими металлами (Co, Mn, Mo, Ni), осуществлено формирование металлических наночастиц на неорганической основе; проведено изучение возможности применения полимерных систем для трансформации метанола в углеводороды; проведены синтез и тестирование полимерных систем трансформации метанола в углеводороды; выполнена характеризация приготовленных катализаторов с использованием различных физико-химических методов (XPS, BET, TEM, РФА, ДТГ и ДСК); проведено тестирование наиболее перспективного катализатора; разработан способ полной регенерации неорганических катализаторов.

В ходе выполнения второго этапа проекта достигнуты следующие значимые научные и научно-технические результаты: получены результаты исследования влияния параметров процесса (температуры, состава инертной атмосферы, условий перемешивания реакционной среды, соотношения целлюлоза/вода, давления и т.д.) на выход глюкозы и степень конверсии целлюлозы, подобраны оптимальные параметры указанного процесса; получены результаты исследования влияния на процесс гидролиза целлюлозы предварительной обработки её водных дисперсий ультразвуком частотой 30 кГц, подобраны параметры, обеспечивающие максимальный выход глюкозы; определены механизмы формирования углеводородов в ходе каталитического процесса, установлены параметры дезактивации углерода; предложены способы контроля скорости коксования через влияние размера частиц активного металла на скорость зародышеобразования углеродов, влияние конструкции поверхности катализатора для повышения сопротивления, взаимодействие катализатора с калием, золотом и другими металлическими катализаторами.

Практическая значимость исследования
Исследования, выполняемые в рамках проекта, находятся в полном соответствии с общемировыми тенденциями развития технологий переработки возобновляемых ресурсов (целлюлозной биомассы, в частности) в сырьё для производства биотоплива второго поколения и химических веществ. Новые данные фундаментального и прикладного характера о процессах конверсии метанола до углеводородов, а также целлюлозы в глюкозу, сорбит и многоатомные спирты с использованием субкритических, ультразвуковых, микрофлюидных технологий, новых высокоэффективных каталитических систем позволят в дальнейшем создать эффективные и экологически чистые способы переработки целлюлозосодержащего сырья (отходов деревообрабатывающих предприятий, макулатуры, некоторых видов культурных растений и др.) в востребованные современной химической и топливной промышленностью вещества.
На основе полученных в процессе работы результатов возможно проведение прикладных исследований по применению научно-технической продукции в различных процессах и отраслях производства (энергетика, химическая промышленность, машиностроение, коммунальное хозяйство).
Научно-техническая продукция, созданная в рамках работы, будет способствовать совершенствованию технологических процессов, повышению уровня производственной безопасности и снижению издержек производства, сокращению на 10-15% себестоимости дополнительно полученной энергии, снижению уровня загрязненности окружающей среды токсичными органическими соединениями (диоксинами, органическими соединениями серы, полимерными отходами, угарным и углекислым газами).