Oxi-dehydration of fructose to high-value added chemicals in a gas-solid fluidized bed with liquid atomization

La dépendance quant aux combustibles fossiles afin de répondre à la demande énergétique mondiale croissante et l’augmentation correspondante des émissions de GES ont motivé l’intérêt pour la conversion de la biomasse en molécules plates-formes pour la synthèse de produits chimiques. Les hydrates de carbone issue de la biomasse, tels que les hexoses, se déshydratent et produisent des molécules tels que le furfural (FUR) et le 5-hydroxyméthyl furfural (HMF). Le HMF, en tant que produit plate-forme de base, est un intermédiaire qui peut être converti en une large gamme de produits chimiques haute valeur a ajoutée, notamment le 2,5 diformyl furane (DFF) et l’acide 2,5-furane dicarboxylique (FDCA). La production de produits chimiques de valeur comprend un processus en deux étapes: dans un premier temps, la déshydratation du fructose en HMF, puis l’oxydation ultérieure du HMF en DFF et FDCA; cependant, les procédés actuels nécessitent souvent des métaux précieux et coûteux, des solvants toxiques et des additifs de base externes et homogènes. Par conséquent, le développement d’un processus en une étape, qui serait alternatif à la réaction tandem de déshydratation du fructose en HMF et d’oxydation du HMF en DFF et FDCA, permettrait non seulement de simplifier l’ensemble du procédé main également, de réduire le coût de production tout en étant plus respectueux de l’environnement. Pour surmonter cette limitation, nous avons implémenté la conversion du fructose en phase gazeuse dans un lit fluidisé en atomisant la solution de sucre dans le lit catalytique, afin de vaporiser la charge liquide plus rapidement et de diminuer la caramélisation. L’utilisation d’un lit fluidisé assure un taux de transfert de chaleur et de masse élevé, une cinétique rapide et un temps de contact court, mais aussi une évaporation de l’alimentation et une vitesse de réaction rapide (avec catalyseur). Cette étude vise à intensifier et à optimiser l’oxy-déshydratation du fructose en HMF, DFF et FDCA dans un lit fluidisé en phase gazeuse par injection liquide. Dans la zone de pulvérisation, l’interaction imparfaite entre la gouttelette et la particule recouvre partiellement la particule d’une épaisse couche de liquide, qui agit comme une force de cohé-sion, adhérant les particules les unes aux autres et formant un agglomérat qui affecte, à la fois le transfert de chaleur entre la particule et la gouttelette à l’échelle micro et, l’efficacité des réactions et du procédé à l’échelle macro. Par conséquent, nous avons développé un modèle CFD pour étudier la collision entre une seule gouttelette d’alimentation et une particule catalytique dans les conditions d’opération.

Abstract

Dependence on fossil fuels to meet the world’s increasing energy demand and the correspond-ing increase in GHG emission has motivated interest in biomass conversion into molecules known as building platform chemicals. Bio-based carbohydrates including C6 sugars dehy-drate and produce molecules including furfural (FUR) and 5-hydroxymethyl furfural (HMF). HMF as a building block platform is an intermediate that can be converted to a wide range of valuable chemicals including 2,5-diformyl furan (DFF), and 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA). The production of valuable chemicals involves a two-step process—fructose dehy-dration to HMF and subsequent HMF oxidation to DFF and FDCA; however, current pro-cesses often require expensive precious metals, toxic solvents, and external homogeneous base additives. Therefore, developing an alternative one-pot of the tandem reaction of fructose dehydration to HMF and HMF oxidation to DFF and FDCA simplifies the whole process; reduces the cost of production, and improves the process’s eco-friendliness. To overcome this limitation, we pursued gas-phase fructose conversion in a fluidized bed by atomizing the sugar solution into the catalytic bed, to vaporize the liquid feed faster and caramelize less. The application of a fluidized bed ensures high heat and mass transfer rate, fast kinetic, and short contact time, rapid feed evaporation, and reaction rate (with catalyst). This study aims to scale up and optimize the oxi-dehydration of fructose to HMF, DFF, and FDCA in a gas-phase fluidized bed with liquid injection. In the spraying zone, imperfect interaction between droplet and particle partially covers the particle with a thick layer of liquid, which acts as a cohesive force, adheres particles to each other forms agglomerate, and a˙ects both heat transfer between the particle and the droplet on the micro-scale and reaction and process eÿciency at the macro-scale.