Моделирование мембранных газоразделительных процессов для нефтегазовой и химической промышленности на основе in-situ исследования эффективных газотранспортных свойств мембран

В настоящее время возможности математического моделирования позволяют детально оценивать эффективность, энергоемкость и экономическую целесообразность использования процессов и аппаратов, применяемых для решения задач разделения и очистки объектов нефтегазовой и химической промышленностей. Предлагаемый к реализации проект направлен на моделирование процессов мембранного разделения газовых смесей, содержащих пластифицирующий мембрану компонент (диоксид углерода, аммиак, сероводород, пары воды, летучие органические соединения), на основе in-situ исследования эффективных газотранспортных свойств мембран в широком диапазоне концентраций, температур и давлений. В отличие от широко распространенного подхода моделирования с использованием проницаемостей индивидуальных газов (идеальных селективностей), в задачи настоящего проекта будет входить моделирование мембранных процессов с учетом эффективных «смесевых» селективностей на каждой ступени разделения в зависимости от состава, температуры, перепада давления, доли отбора, а также присутствия паров воды в системе. Фундаментальная составляющая проекта заключается в получении новых экспериментальных данных о эффективной «реальной» проницаемости компонентов разделяемых газовых смесей в широком диапазоне условий с применением метода онлайн-масс-спектрометрии, позволяющего выполнять in-situ определение эффективных газотранспортных свойств мембраны для каждого компонента газовой смеси, для ряда мембран, используемых в задачах очистки природного газа, выделения диоксида углерода, разделения аммиак-содержащих газовых смесей. Метод онлайн масс-спектрометрии позволит определить эффективные коэффициенты диффузии каждого компонента в процессе разделения смеси на мембране по параметру запаздывания «time-lag», а также косвенно определить коэффициенты растворимости компонентов смеси в мембране с учетом экспериментально полученных величин коэффициентов проницаемости и диффузии. Таким образом будет проведена оценка кинетической и термодинамической составляющей процесса переноса при разделении смеси. Важным является также оценка стабильности свойств мембран при контакте с пластифицирующими мембрану компонентами газовой смеси в течение длительного времени. Дополнительный мониторинг изменения свойств мембран будет осуществляться с применением методов ИК-спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. В ходе моделирования будет поставлена задача сравнения эффективности мембранных каскадов с учетом полученных экспериментальных данных как для стандартных, так и для оригинальных конфигураций (мембранный каскад типа «непрерывная мембранная колонна»), а также задача анализа гибридных схем, включающих дистилляцию и абсорбцию, в среде химико-технологического симулятора Aspen Plus. Формат научного проекта позволит использовать накопленный опыт в решении актуальных задач газоразделения, а также получить большое количество новой информации об исследуемых системах и процессах и передать эти знания студентам и молодым ученым.