Кавитационно-акустическое формирование многосвязной межфазной поверхности «газ-жидкость» для решения проблемы высокоэффективного поглощения газов

На сегодняшний день актуальной задачей, возводимой многими странами в ранг государственной политики, является стремление уменьшить совокупный «карбоновый след». Для этого принимаются экологические программы, поощряется и мотивируются энергосберегающие производства, меняется философия потребления. По публикуемым прогнозам, в ближайшие 10 лет мировая экономика потратит на сокращение выбросов углерода более 1 трлн. долл. Через инвестиции в альтернативную энергетику искусственно создается новый сектор экономического развития. Целые пакеты проектов, преследующих цель снижения «карбонового следа», касаются добывающих и перерабатывающих отраслей. Они уже поддержаны ведущими мировыми компаниями. За словами о борьбе за сохранение климата и экологии, кроются очевидные экономические интересы. Товары и услуги в странах с низким углеродным следом получат дополнительные конкурентные преимущества. Естественное поглощение углекислого газа лесами и другими природными экосистемами не справляется с высоким углеродным следом в атмосфере, который бурно накапливался в последние десятилетия в результате индустриализации. Развиваемые в помощь природе искусственные способы поглощения углекислого газа, реализованные в различных устройствах, имеют ограниченные возможности и. сегодня не позволяют даже частично решить проблему. Вместе с тем, проблема поглощения и разделения газов актуальна не только для удаления углекислого газа из атмосферы, но и для удаления из газовых выбросов технологических процессов других газов - взрывоопасных, горючих и ядовитых примесей (метан, пропан, бутан, монооксид углерода; а также сероводород, радон, пары ртути). Более того, отдельные газовые составляющие необходимо улавливать для дальнейшего использования, поскольку они могут служить ценным сырьём (например, сероводород для производства серной кислоты). Выделение некоторых газов необходимо для целенаправленного использования в качестве энергоносителей для инженерного и биомедицинского применения. Одним из показательных примеров служит возрастающая потребность в химически чистом водороде. Однако, проблема снижения «карбонового следа» на сегодня является основополагающей, и ее решение обеспечит развитие технологий разделения и поглощения других газов. Отсюда естественным образом вытекает необходимость создания высокоэффективных и малозатратных газоразделительных установок (или установок для избирательного поглощения газа), поскольку основной метод получения водорода – паровая конверсия природного газа/метана, формирующая газообразную смесь H2, CO2, CH4, H2O и СО, от которой необходимо отделить только H2. Высокоэффективное решение проблемы регенерации кислорода из CO2 обеспечит организацию длительных подводных экспедиций и пилотируемых космических полётов. Развитие медицины диктует возрастающую потребность в газах высокой степени чистоты (более 99,5%) как для обеззараживания, так и для оказания лечебного воздействия (кислород, азот, радон, оксид азота и т.д.). В связи с усиливающимися угрозами распространения эпидемий дыхательных заболеваний, необходимы эффективные способы отделения и концентрирования кислорода. Множество других примеров могут дополнительно подтвердить необходимость повышения производительности и снижения энергозатрат разделения смеси газов. Внести существенный вклад в решение перечисленных глобальных задач, требующих высокой степени разделения газов обеспечит предлагаемый физический принцип разделения газов, способный реализовать процесс абсорбции с высокой эффективностью, выходящей за предельные возможности классического процесса абсорбции (т. е. без наложения ультразвуковых полей). Предлагаемый физический принцип заключается в наложении ультразвуковых колебаний в кавитационном режиме и создании специальных условий для формирования многосвязной межфазной поверхности (разрушение кавитационных пузырьков вблизи поверхности "газ-жидкость" и "механический" захват поглощаемого газа; дробление пузырьков, образуемых в результате барботирования, за счёт кавитации). Будут впервые созданы численная модель формирования многосвязной поверхности, которые будут способны обосновать предложенный физический принцип. Предлагаемая модель будет основана на решёточных уравнениях Больцмана и будет учитывать импульсное нагружение межфазной поверхности (ударные волны, образуемые при схлопывании кавитационных пузырьков). С помощью предлагаемой модели будут выявлены оптимальные режимы и условия, обеспечивающие максимальную эффективность абсорбции. Разработанная модель внесёт вклад не только в решение практической проблемы разделения газов, но и значительный вклад в фундаментальную теорию нелинейных волн на свободных границах под действием импульсных возмущений давления (в виде последовательности дельта-функций) и численные методы расчёта многофазных систем (в частности, метод решёточных уравнений Больцмана) при действии импульсных объёмных сил. Для подтверждение адекватности и, при необходимости, корректировки численной модели, будет разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования процесса поглощения газов, основанного на предложенных физических принципах, в условиях, близких к промышленным.