Высокоэффективные композиционные половолоконные мембраны и мембранные модули для разделения низших углеводородов

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 19-19-00647

НазваниеВысокоэффективные композиционные половолоконные мембраны и мембранные модули для разделения низших углеводородов

Руководитель Волков Владимир Васильевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова Мембранная технология, мембранное газоразделение, половолоконные мембраны, композиционные мембраны, половолоконные модули, низшие углеводороды, природный газ, полисульфон, замещенные полиметилсилоксаны, силиконовые каучуки, полимерные материалы, высокоселективные материалы, моделирование, массоперенос, теплоперенос.

Код ГРНТИ61.13.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Мембранное газоразделение успешно используется во всем мире для получения азота, кислорода, водорода, осушки природного газа и его очистки от диоксида углерода. Весьма актуальными являются также процессы разделения углеводородов С1 – С4 с получением метановой фракции и фракции С3+. Анализ проблемы показывает, что существенный прорыв в проблеме разделения углеводородных фракций может дать разработка половолоконных газоразделительных мембран, селективных по углеводородам С3+. В России производство отечественных половолоконных мембран и газоразделительных модулей на их основе только начинает развиваться, нет опыта создания и расчета газоразделительных половолоконных модулей. В то же время, наша страна является одним из крупнейших мировых лидеров и по запасам, и по добыче углеводородного сырья, в том числе природного и попутных газов. Эффективность технологии газоразделения существенно зависит от конструкции газоразделительного модуля, закономерностей процессов массо- и теплопереноса в модуле, а также от молекулярного транспорта в селективном слое мембраны. Поэтому тематика проекта по разработке и исследованию новых половолоконных композиционных мембран и мембранных модулей на их основе с применением теории тепло- и массопереноса в половолоконном мембранном газоразделительном модуле, одновременно учитывающей внешнее стесненное течение в системе волокон, внутреннее течение в полых волоках, и молекулярный транспорт в селективном слое мембраны представляется весьма актуальной. Проект имеет значительную научную новизну. Так, в качестве селективного слоя композиционных половолоконных мембран впервые предлагается использовать сшитые полиалкилметилсилоксаны (полисилоксаны с длинными С8+ алкильными заместителями в боковой цепи), обладающие повышенной селективностью по углеводородам С3+ по сравнению с промышленным полидиметилсилоксаном и стабильными во времени транспортными характеристиками. Все ранее опубликованные работы с такими материалами были выполнены для мембран плоского типа. Важно подчеркнуть, что вулканизация полиалкилметилсилоксанов будет проводиться сразу из реакционной массы без стадий выделения и очистки полимера по разработанной авторами проекта оригинальной методике (Патент РФ №2652228, 2018) непосредственно в процессе формования половолоконной мембраны. В качестве подложек будут предварительно сформованы пористые асимметричные половолоконные мембраны из полисульфона с оптимизированной морфологией пористой структуры. Предлагаемый технологичный способ формования композиционных половолоконных мембран с тонкими селективными слоями из полиалкилметилсилоксанов позволит впервые получить лабораторные образцы половолоконных мембран с высокой селективностью и производительностью по углеводородам С3+ и стабильными во времени транспортными характеристиками. Не менее важная задача состоит в разработке теоретической модели для расчета тепло- и массопереноса в половолоконном мембранном газоразделительном модуле, одновременно учитывающей внешнее стесненное течение в системе волокон, внутреннее течение в полых волокнах, и молекулярный транспорт в селективном слое мембраны с учетом тепловых эффектов при разделении углеводородной газовой смеси (эффект Джоуля-Томсона). Разработанная модель будет включать в себя теорию конвективно-диффузионного транспорта в половолоконных мембранных модулях с упорядоченным и разупорядоченным расположением волокон, применимую в широком интервале значений плотности упаковки волокон, чисел Рейнольдса и Пекле. Молекулярный транспорт через селективный слой полимерных мембран будет описан с помощью современных подходов статистической термодинамики. На основании полученных результатов будет разработан комплексный численно-аналитический подход к расчету оптимальных параметров половолоконных газоразделительных мембранных модулей. До сих пор не был известен метод расчета половолоконных модулей, позволяющий учитывать влияние такого количества параметров. Высокая научная значимость определяется тем, что в ходе выполнения проекта будет развита не только теоретическая база, но также созданы представительные образцы лабораторных половолоконных композиционных мембран, а также газоразделительных модулей с различной плотностью упаковки мембран в модуле, позволяющие провести верификацию моделей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Грушевенко Е.А., Князева А.А., Борисов И.Л., Волков А.В. Highly effective composite membranes for separation hydrocarbon mixture PERMEA 2019 - Budapest, Hungary, O-43 (год публикации - 2019)

2. Грушевенко Е.А., Князева А.А., Волков А.В., Борисов И.Л., Волков В.В. Полиалкилметилсилоксаны как высокоселективные мембранные материалы для создания газоразделительных композиционных мембран XVI Всероссийская научная конференция (с международным участием) Мембраны-2019. Сборник тезисов докладов, с. 226-228 (год публикации - 2019)

3. Матвеев Д.Н., Василевский В.П., Кутузов К.А. Properties of Polysulfone Hollow Fiber Membranes Depending on the Method of the Spinning Solution Preparing Key Engineering Materials, Vol. 869. P.443-448 (год публикации - 2020)
10.4028/www.scientific.net/KEM.869.443

4. Матвеев Д.Н., Василевский В.П., Кутузов К.А. Свойства половолоконных мембран из полисульфона в зависимости от методики приготовления формовочного раствора Новые полимерные композиционные материалы. Микитаевские чтения: Материалы ХVI Международной научно-практической конференции., C. 273 - 276 (год публикации - 2020)

5. В.А. Кирш, С.Д.Баженов Numerical simulation of solute removal from a cross-flow past a row of parallel hollow-fiber membranes Separation and Purification Technology, V.242 P. 116834. (год публикации - 2020)
10.1016/j.seppur.2020.116834

6. Грушевенко Е.А., Борисов И.Л., Бахтин Д.С., Волков В.В., Волков А.В. Polyalkylmethylsiloxanes composite membranes for hydrocarbon/methane separation: Eight component mixed-gas permeation properties Separation and Purification Technology (год публикации - 2020)
10.1016/j.seppur.2020.116696

7. Кирш В.А., Баженов С.Д. Towards simulation of gas separation modules based on hollow fiber membranes Journal of Physics: Conference Series, 1696 (2020) 012041 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1696/1/012041

8. Борисов И.Л., Грушевенко Е.А., Анохина Т.С., Бахтин Д.С., Левин И.С., Бондаренко Г.Н., Волков В.В., Волков А.В. Influence of side chains assembly on the structure and transport properties of comb-like polysiloxanes in hydrocarbon separation Materials Today Chemistry, Volume 22, 100598 (год публикации - 2021)
10.1016/j.mtchem.2021.100598

9. Малахов А.О., Волков В.В. Mixed-Gas Selectivity Based on Pure Gas Permeation Measurements: An Approximate Model Membranes, V. 11(11), P. 833 (год публикации - 2021)
10.3390/membranes11110833

10. Борисов И.Л., Грушевенко Е.А., Буйнова Е.В., Волков В.В. Development of a Coating Method for Polydecylmethylsiloxane Selective Layer on Polysulfone Hollow Fiber Support Key Engineering Materials, V. 899, P. 275-280 (год публикации - 2021)
10.4028/www.scientific.net/KEM.899.275

11. Волков В.В., Буйнова Е.В., Матвеев Д.Н., Грушевенко Е.А., Борисов И.Л., Василевский В.П., Волков А.В. Development of PDecMS/PSF composite hollow fiber membrane module for separation C4-C1 hydrocarbon mixture INTERNATIONAL CONFERENCE Ion transport in organic and inorganic membranes-2021.Conference Proceedings, p. 338-340 (год публикации - 2021)

12. Баженов С.Д., Матвеев Д.Н.,Буйнова Е.В., Волков В.В. Packing density influence on the separation parameters of PDECMS/PSF hollow fiber membrane module INTERNATIONAL CONFERENCE Ion transport in organic and inorganic membranes-2021.Conference Proceedings, с.42-43 (год публикации - 2021)

13. Борисов И.Л., Грушевенко Е.А., Буйнова Е.В., Матвеев Д.Н., Волков В.В. Половолоконные композиционные мембраны на основе полиалкилсилоксанов для разделения углеводородов Новые полимерные композиционные материалы. Микитаевские чтения. Материалы ХVII Международной научно-практической конференции, с.32 (год публикации - 2021)

Публикации