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).
