Новости

16 апреля, 2020 10:04

Модель фильтров для очистки воздуха помогла описать работу модулей для разделения нефтяных газов

Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева (ИНХС) РАН придумали, как определить особенности поглощения веществ при течении жидкостей или газов в половолоконных мембранных модулях. Для этого они использовали математический подход, позволяющий строить модели процесса осаждения микрочастиц на волокнистых фильтрах, которые широко применяют в воздухоочистителях. Полученные результаты позволят улучшить конструкцию мембранных модулей для разделения попутных нефтяных газов, переработка которых малорентабельна из-за сложности их разделения при малых объемах. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в журнале Separation and Purification Technology.
Половолоконные мембраны. Фото предоставлено авторами работы
Рассчитанные линии тока (пунктир) и профили концентрации извлекаемого вещества (сплошные линии) в зоне за мембраной (в левом нижнем углу). Источник: A.V.Kirsch, S.D. Bazhenov / Sep.Pur.Technol., 2020
3 / 4
Половолоконные мембраны. Фото предоставлено авторами работы
Рассчитанные линии тока (пунктир) и профили концентрации извлекаемого вещества (сплошные линии) в зоне за мембраной (в левом нижнем углу). Источник: A.V.Kirsch, S.D. Bazhenov / Sep.Pur.Technol., 2020

При разработке нефтяных месторождений мы получаем не только нефть, но и газ. Этот попутный нефтяной газ в отличие от обычного природного газа содержит в своем составе кроме метана и этана большую долю пропана, бутана и паров более тяжелых углеводородов. Такой состав делает попутный нефтяной газ ценным химическим сырьем, например, для производства пластмасс и каучуков. Но перед дальнейшим использованием газ необходимо разделить. Этот процесс нерентабелен, если объемы перерабатываемого газа невелики, а его источники рассредоточены на больших территориях. В этом случае перспективны компактные газоразделительные мембранные модули, которые позволят разделять такие газы непосредственно на местах его добычи. Для этого важна разработка новых конструкций модулей и создание моделей протекающих в них процессов.

Современный половолоконный мембранный модуль для разделения газов – это сложная плотноупакованная система сотен или даже тысяч мембран в виде тонких полых капилляров, которые поглощают ненужные растворенные примеси или, наоборот, ценные компоненты из потока жидкости или газа. При этом мембраны пропускают молекулы одного компонента смеси (например, этана, пропана и бутана) и задерживают молекулы другого компонента (метана), который через мембрану проникает в малых количествах или не проникает вовсе.

Обычно ученые стараются получить мембраны, которые были бы максимально «избирательны» по требуемым компонентам – пропану и бутану в случае разделения попутных нефтяных газов. При этом движение потока (то есть гидродинамика) среды, обтекающей волокна, и одновременный перенос требуемого компонента из этого потока через мембраны в такой сложной мембранной системе считались второстепенными, сложными для моделирования.

Чтобы справиться с этой задачей, авторы работы описали половолоконную мембранную систему как своеобразный «математический» аналог волокнистого фильтра. Эти фильтры в виде слоев со множеством тонких волокон активно применяют в современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха и максимально эффективны для улавливания различных микрочастиц – пылинок, пыльцы, бактерий и др. При помощи численных методов вычислительной гидродинамики ученые впервые напрямую рассчитали ключевые особенности работы мембранных систем. Во-первых, как распределены линии тока среды в ряду параллельных поглощающих половолоконных мембран – параметр, дающий представление о структуре потока жидкости или газа в текущий момент времени. Во-вторых, как распределена в этой системе концентрация переносимого компонента. При этом учитывались такие условия, как скорость течения среды, расстояние между соседними волокнами и транспорт веществ через стенки мембран.

«Разработанная модель универсальна в применении и к жидкостным, и к газовым системам. Уже сейчас очевидно, что результаты перспективны в области проектирования мембранных модулей для разделения углеводородных газовых смесей, в том числе попутных нефтяных газов», – прокомментировал один из авторов работы Степан Баженов, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории полимерных мембран ИНХС РАН (Москва).

16 октября, 2020
Обнаружены участки, благодаря которым белки-каспазы «убивают» клетки
Сотрудники лаборатории исследований механизмов апоптоза факультета фундаментальной медицины МГУ изуч...
15 октября, 2020
Российские сенсоры аммиака и сероводорода станут дешевле существующих
Российские исследователи разработали новый подход к обнаружению токсичных низкомолекулярных газо...