Высокоэффективные композиционные половолоконные мембраны и мембранные модули для разделения низших углеводородов

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 селективномслое 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 половолоконноммембранном 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.