КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 17-79-20286
НазваниеНовые гибридные и совмещенные процессы получения высокочистых газов для электронной и химической промышленности
Руководитель Петухов Антон Николаевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл
Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова мембранное газоразделение, ректификация, газогидратная кристаллизация, абсорбционная первапорация, гибридные и совмещенные процессы, энергоэффективность, интенсификация, разделение, очистка, массообмен, сжиженные газы, моделирование, физико-химические основы, экспериментальная верификация.
Код ГРНТИ61.13.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Решение задачи получения высокочистых газов, пригодных для применения в качестве исходных материалов в электронной промышленности, а также задачи выделения редких компонентов из газовых смесей традиционно предполагает использование ресурсоемких разделительных процессов, характеризующихся высокой энерго- и материалоемкостью (дистилляционные, сорбционные, кристаллизационные). Постоянное ужесточение спецификаций качества материалов ставит задачу удаления весьма широкого круга примесей разных классов (как правило, трудноотделимых от основного компонента) до ppb уровня, что делает процессы глубокой очистки и концентрирования ценных компонентов все более сложными и экономически затратными.
Все шире находят применение методы мембранного газоразделения, обладающие низким уровнем энергопотребления, высокой промышленной и экологической безопасностью. Однако, использование по отдельности различных методов разделения оказывается малоэффективным и высокозатратным. Например, для повышения эффективности мембранного газоразделения используют каскадирование и многократные рециклы разделяемой газовой смеси, что приводит к существенному повышению энергозатрат, материалоемкости, сложности аппаратурного оформления и снижению экологической безопасности. Подобная проблема существует, например, при выделении метана из биогаза, благородных газов и диоксида углерода из природного газа, или из продуктов сгорания топлива, при выделении радиоактивных компонентов (благородных газов) содержащихся в выбросах атомных электростанций, а также при получении исходных высокочистых материалов для производства изделий электронной техники (например, аммиака, как одного из самых крупнотоннажных материалов в группе высокочистых веществ).
В настоящее время для повышения эффективности и экологичности процессов разделения и очистки газов, снижения их энерго- и материалоемкости ведутся исследования в нескольких направлениях: синтезируют новые высокоселективные материалы (мембраны, сорбенты), разрабатывают новые конструкции разделительных аппаратов и новые схемы организации процесса, применяют новые подходы к интенсификации массообмена в аппаратах путем воздействия на движущую силу разделительного процесса. Мощным инструментом повышения эффективности физико-химических процессов разделения становится использование гибридных схем разделения и глубокой очистки, в которых за счет совмещения нескольких методов в едином аппарате или единой технологической схеме может происходить мультипликативное увеличение разделительного эффекта.
Фундаментальная составляющая настоящего проекта направлена на разработку физико-химических основ интенсификации процессов разделения и глубокой очистки газов в гибридных и совмещенных схемах, основанных на комбинации таких методов как мембранное газоразделение, газогидратная кристаллизация, абсорбция, и ректификация при повышенном давлении. Моделирование и оптимизация гибридно-совмещенных процессов позволит сформировать принципы создания эффективных методов разделения и очистки газов при их сочетании в гибридно-комплексных технологических схемах для получения конкретных высокочистых газов – исходных материалов для опто-, микро- и наноэлектроники.
Применение единого массообменного аппарата на основе метода газогидратной кристаллизации и мембранного газоразделения позволит благодаря такой конструкции значительно уменьшить экономические затраты и увеличить эффективность выделения метана из природного газа/биогаза, а также благородных газов (гелия, аргона, криптона, ксенона) из природного газа и газообразных выбросов ядерных реакторов.
Применение метода ректификации при повышенном давлении приобретает особую актуальность благодаря возможности снижения энергоемкости крупнотоннажной глубокой ректификационной очистки веществ с низкой температурой кипения (летучие неорганические гидриды, закись азота, фреоны). С повышением давления и температуры в колонне снижается теплота парообразования и конденсации и, соответственно, энергозатраты на обращение фаз в колонне. Происходит интенсификация массообмена за счет увеличения времени контакта фаз и площади поверхности контакта. С точки зрения дополнительного снижения энергозатрат и мультипликативного повышения степени очистки будут рассмотрены варианты сопряжения ректификационной колонны, работающей при повышенном давлении, с модулями мембранного газоразделения в совмещенных схемах. Отбор примесных фракций через мембранные модули с возвращением выделенного продукта в колонну позволит минимизировать потери целевых компонентов, при этом избыточное давление в колонне снимает необходимость дополнительного компримирования смеси на входе в мембранный модуль; возможна организация всего технологического цикла при комнатной температуре.
Применение нового единого массообменного аппарата, сочетающего методы абсорбции/десорбции и мембранного газоразделения в одном модуле, позволит уменьшить экономические затраты и увеличить эффективность разделительного процесса за счет разработки конструкции оригинальных мембранных контакторов с неподвижными нетоксичными абсорбентами нового типа (ионные жидкости), характеризующихся крайне малым давлением насыщенных паров, для глубокой очистки аммиака и метана от примесей (постоянных/кислых газов).
В рамках решаемой проблемы предлагается создание физико-химических моделей и технологических схем энергоэффективных и экологичных гибридно-совмещенных процессов разделения и очистки веществ для обеспечения электронной и химической промышленности высокочистыми исходными материалами. Применение разработанных моделей гибридно-совмещенных процессов позволит выполнить оптимизацию разделения и очистки конкретных веществ для получения продукта с нужным качеством при его максимальном выходе с минимальными энергозатратами.
Научная новизна поставленной задачи состоит в том, что впервые для повышения энергоэффективности и экологичности процессов получения высокочистых газов для будет разработан физико-химический базис и исследованы оригинальные условия реализации процессов разделения в гибридных и совмещенных установках, включающих мембранные, газогидратно-кристаллизационные, абсорбционные и ректификационные методы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ