Выбор направления исследований. Оценка эффективности использования мембранно-адсорбционного метода для осушения сжатого воздуха в процессе компримирования и подготовки для использования в промышленности и на транспорте

Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по теме проекта. Осуществлен выбор химического состава, оптимальной микроструктуры и свойств поверхности половолоконных мембранных контакторов для проведения процесса осушения воздуха. Разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований микроструктуры половолоконных, асимметричных полимер-неорганических и импрегнированных мембран методами растровой электронной микроскопии, ИК- и КР-спектроскопии, выполнены экспериментальные исследования микроструктуры половолоконных мембран, используемых в мембранных контакторах. Разработаны основные принципы мембранно-абсорбционного метода осушения сжатого воздуха и лабораторный регламент формирования мембранных элементов и модулей, обеспечивающих интенсификацию массопереноса, для лабораторного прототипа мембранно-абсорбционной системы осушения компримированного газа. Подготовлена эскизная конструкторская документации на лабораторный прототип мембранно-абсорбционной системы осушения компримированного газа, изготовлен данный лабораторный прототип, сформированы мембранных элементы и модули для лабораторного прототипа. Разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований лабораторного прототипа мембранно-абсорбционной системы осушения компримированного газа; патентных исследований по тематике проекта. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, посвященной методикам осушения сжатых газов, в ходе которого проанализировано более 40 источников, в том числе 16 научно-информационных источников за период 2011 - 2016 гг. На основании анализа литературных данных для повышения эффективности существующих методов осушения воздуха предложены к разработке комбинированные мембранно-абсорбционные и мембранно-рефрижераторные методы осушения. Предполагается, что первый подход позволит уменьшить массогабаритные характеристики абсорбционного модуля за счет увеличения площади межфазного контакта с 20 - 100 м²/м³ до 2000 - 3000 м²/м³, а второй подход позволит увеличить энергоэффективность процесса за счет неполного охлаждения осушаемого газа. Осуществлен выбор химического состава, оптимальной микроструктуры и свойств поверхности половолоконных мембранных контакторов с целью достижения требуемых функциональных характеристик, обозначенных в ТЗ ПНИ. Показано, что для достижения максимальной эффективности мембранного контактора необходима реализация транспорта паров воды в режиме диффузии Кнудсена, через гидрофобные мембраны с диаметром пор более 50 нм. Предложен способ увеличения селективности нанопористых мембран, основанный на модификации мембран с помощью химической иммобилизации молекул поверхностно-активных веществ. Показана возможность использования способа для увеличения фактора разделения конденсируемых и постоянных газов более чем в 50 раз и увеличения проницаемости мембраны для паров воды от ~10 до 25 н.м³/(м²∙атм∙ч). Разработаны программа и методика проведения экспериментальных исследований микроструктуры половолоконных мембран, используемых в мембранных контакторах, методами растровой электронной микроскопии, ИК- и КР-спетроскопии. С использованием разработанной программы и методики проведены экспериментальные исследования полых волокон, которые могут быть использованы в мембранных контакторах. Установлено, что требуемыми характеристиками для использования в мембранных контакторах обладают половолоконные мембраны на основе полипропилена. Дано обоснование основным принципам мембранно-абсорбционного метода осушения сжатого воздуха в процессе компримирования и подготовки для использования в промышленности и на транспорте. По результатам экспериментов установлено, что с использованием предложенных принципов удается провести осушение влагонасыщенного газа до температуры точки росы менее -10°С при давлении 0,4 МПа с потоком до 60 л/мин. На основании экспериментальных значений эффективности осушения воздуха подготовлено техническое задание и разработана эскизная конструкторская документация на лабораторный прототип мембранно-абсорбционной системы осушения компримированного газа, а также проведено его изготовление. В прототипе использовано пять мембранных модулей с половолоконными мембранными элементами диам. 50 мм и длиной 500 мм (общая площадь поверхности мембраны ~40 м²), что обеспечивает возможность достижения характеристик, заявленных в техническом задании ПНИ во всем диапазоне производительности и давления. Конструкция лабораторного прототипа обеспечивает возможность достижения и регистрации температуры точки росы в диапазоне от -45 до +40°С, возможность работы при давлениях сырьевой смеси до 1,6 МПа и производительности по сырьевому потоку от 0,01 до 1 н.м³/мин.