ИСТИНА

Осушение сжатых газов является важнейшей технологической задачей в процессах компримирования атмосферного воздуха для пневматических систем, кондиционирования зданий, подготовки природного и попутного нефтяного газа к трубопроводному транспорту. В настоящее время, для удаления паров воды из осушаемого газа используют следующие технологии: рефрижераторная, адсорбционная, абсорбционная и мембранная технологии. При использовании рефрижераторной технологии уменьшение содержания паров воды происходит за счет охлаждения воздуха ниже температуры точки росы, в результате чего вода выпадает в виде жидкости или льда. К преимуществам данной технологии следует отнести относительную высокую производительность осушения и легкость управления процессом. Недостатком рефрижераторной технологии является высокая энергоемкость процесса, использование неэкологичных фреонов в холодильном цикле и невозможность глубокого осушения, а также необходимость периодической разморозки осушителя. Адсорбционное осушение проводят с использованием различных твердых адсорбентов, таких как силикагель, оксид алюминия или цеолиты. Регенерацию твердых адсорбентов проводят потоком нагретого воздуха, интервал температур варьируется от 240-240С (для селикагеля и оксида алюминия) до 290С для молекулярных сит. Емкость адсорбентов составляет 4-12 кг(H2O)/100 кг адсорбента. В технологических процессах чаще всего используют барабанную конфигурацию осушителя, ¾ площади которого функционирует как адсорбер, а ¼ – как регенератор [1]. К преимуществам адсорбционного осушения следует отнести высокую емкость адсорбента, возможность глубокого осушения газа и получения низких значений температуры точки росы. Недостатками данного процесса являются – необходимость поддержания высокого давления сырьевой смеси, большие энергозатраты на регенерацию адсорбента и значительные массогабаритные характеристики контакторных устройств. Абсорбционное осушение проводят с использованием жидких абсорбентов, таких как насыщенные растворы гигроскопичных солей (LiCl, CaCl2), либо гликолей (диэтиленгликоль, триэтиленгликоль). Преимущества данного метода осушения практически такие же, как у адсорбционногои– высокая сорбционная емкость и высокая эффективность осушения. Недостатки – коррозия абсорбера при использовании насыщенных растворов солей и испарение абсорбента при использовании гликолей, высокое энергопотребление на регенерацию абсорбента, и большие массогабаритные размеры абсорбера. При использовании триэтиленгликоля (ТЭГ) абсорбцию паров воды проводят растворами с концентрацией ТЭГ 97-99% скорость циркуляции абсорбента – 30-40 л/кг(воды), температура регенерации составляет 200С [2]. В отличие от ТЭГ, растворы солей легко регенерируются при температурах 60-80С, однако при их использовании возникают проблемы с коррозией абсорбера [3]. Сравнение энергозатрат при использовании абсорбционной (абсорбция триэтиленгликолем), адсорбционной (адсорбция на селикагеле) и конденсационной технологии осушения природного газа при различных давлениях дано в работе [2], расчет производился для потока газа 100 тыс. нм3/ч при уменьшении точки росы от 30С до -10С при давлении 4 Мпа для различных давлений сырьевой смеси. Согласно авторам данной работы, наилучшей эффективностью при низких давлениях (7-15 МПа) обладает абсорбционный метод, при дальнейшем повышении давления сырьевой смеси предпочтительным методом становится конденсационная технология. Несмотря на то, что с использованием адсорбционной технологии удается получать достаточно низкое значение точки росы выходящего газа, данная технология требует гораздо больших капитальных затрат по сравнению с абсорбционной технологией. Размер контакторов для адсорбции больше, по сравнению с абсорбционными контакторами – для обеспечения сравнимой скорости сырьевого потока требуется увеличения диаметра адсорбционной колонны на 70% по сравнению с абсорбционной, а также увеличение её длины. Это приводит к тому, что капитальные затраты при использовании адсорбционной технологии оказываются в 2 раза выше, по сравнению с абсорбционной [4]. К развивающемуся методу осушения газовой смеси относится мембранная технология. Принцип действия мембранных осушителей основан на селективном переносе паров воды через мембраны. При этом, данный способ не требует энергозатрат на нагрев или охлаждение сырьевой смеси или регенерируемого сорбента, поэтому является менее энергозатратным. Однако, мембранная осушка обладает целым рядом недостатков – невозможность глубокого осушения сырьевой смеси и значительные потери осушаемого газа из-за относительно невысокой селективности существующих мембран и низких парциальных давлений насыщенного пара. Так например, для снижения температуры точки росы сырьевой смеси с 32С до 5С требуется селективность мембраны по паре H2O/воздух более 200 при высоких коэффициентах проницаемости мембраны по воде – более 5000 баррер [5]. Таких показателей удается достичь только с использованием в качестве материала мембраны специфических полимерных композиций: сульфонированного полиамид-имида, композиции Pebax® 1074 (55% PEO/45%Nylon-12), гидрофобного ацетата целлюлозы, либо же цеолитных мембран. Все вышеперечисленные мембраны достаточно дороги в изготовлении, поэтому, данный метод не применим при необходимости осушения больших потоков газа. В работе [6] продемонстрирована возможность удаления паров воды из природного газа с использованием мембраны Pebax®. Содержание воды в потоке сырьевой смеси 1,5 н.м3/с уменьшается с 1000 ppm до 100 ppm (площадь мембраны – 120 м2), при этом, потери метана составляют 0,78%, что является более предпочтительным значением по сравнению с потерями метана в процессе гликолевой осушки, которые составляют около 1%. Однако, для снижения потерь метана в процессе осушения требуется использовать рецикл пермеата, что требует наличия дополнительного компрессора, который повышает энергозатратность процесса. Кроме того, для эффективного осушения требуется проводить процесс при давлениях сырьевой смеси выше 60 бар, однако, при осушении воздуха использование таких давлений не является оптимальным, поэтому в качестве основных методов, эффективность которых будет повышена в данной работе за счет разработки нового типа контактных устройств были выбраны конденсационный (рефрижераторный) и абсорбционный метод осушения воздуха. Одним из возможных способов уменьшения массогабаритных размеров в случае использования абсорбционных технологий является переход от традиционных контактных устройств – насадочных колонн [7,8] к половолоконным мембранным контакторам [9], в которых пористая мембрана разделяет осушаемый поток газа и абсорбент, что позволяет избежать таких проблем, как – вспенивание абсорбента и его попадание в поток осушаемого воздуха. Кроме того, малые размеры полого волокна позволяют увеличить плотность упаковки и повысить площадь межфазного контакта до 2000-3000 м2/м3. К возможным методам уменьшения энергопотребления при рефрижераторном можно отнести гибридный мембранно-рефрижераторный процесс, при котором конденсор расположен за мембраной, что позволяет создать разность парциальных давлений паров воды при одинаковом суммарном давлении, что обеспечивает перенос паров воды через пористую мембрану. Повышение энергоэффективности процесса достигается за счет того, что требуется охлаждать только подмембранный объем, при незначительном охлаждении основной сырьевой смеси. Список литературы 1. Weilong Wang, Luoming Wu, Zhong Li, Yutang Fang, Jing Ding, Jing Xiao An Overview of Adsorbents in the Rotary Desiccant Dehumidifier for Air Dehumidification // Drying Technology, 31 (2013) 1334–1345. 2. M. Netusil, P. Ditl Comparison of three methods for natural gas dehydration // Journal of Natural Gas Chemistry, 20 (2011) 471-476. 3. H. C. Badrakia Performance Review of Aqueous Calcium Chloride Liquid Desiccant Based Air Dehumidifier for HVAC Applications: A Review // International Journal of Advance Research in Engineering, Science & Technology 12 (2015) 38-50. 4. Gandhidasan P. Parametric analysis of natural gas dehydration by a triethylene glycol solution // Energy Sources, 25(2003) 189–201. 5. Lin H., Thompson S.M., Serbanescu-Martin A., Wijmans J.G., Amo K.D., Lokhandwala K.A., Merkel T.C. Dehydration of natural gas using membranes. Part I: Composite membranes // Journal of Membrane Science. 413-414 (2012) 70-81 6. Lin H., Thompson S.M., Serbanescu-Martin A. Merkel T.C. Dehydration of natural gas using membranes. Part II: Sweep/countercurrent design and field test // Journal of Membrane Science 432 (2013) 106–114. 7. R. Wang, H. Zhang, P. Feron, D. Liang, Influence of membrane wetting on CO2 capture in microporous hollow fiber membrane contactors // Separation and Purification Technology 46 (2005) 33-40. 8. V. Oberg, D.Y. Goswami, Experimental Study of the Heat and Mass Transfer in a Packed Bed Liquid Desiccant Air Dehumidifier // Journal of Solar Energy Engineering 120 (1998) 289. 9. L.-Z. Zhang, S.-M. Huang, J.-H. Chi, L.-X. Pei, Conjugate heat and mass transfer in a hollow fiber membrane module for liquid desiccant air dehumidification: A free surface model approach // International Journal of Heat and Mass Transfer 55 (2012) 3789.

Основные ожидаемые результаты проекта включают: 1. Разработку технологических схем и определение оптимальных условий мембранно-абсорбционной и мембранно-рефрижераторной осушки компримированного газа 2. Создание прототипов мембранно-абсорбционной и мембранно-рефрижераторной систем осушки компримированного газа 3.Разработку эскизной конструкторской документации на прототипы мембранно-абсорбционной и мембранно-рефрижераторной систем осушки компримированного газа 4. Разработку технологии (лабораторных технологических регламентов) мембранно-абсорбционного и мембранно-рефрижераторного осушения компримированных газов, в частности сжатого воздуха 5. Разработку схемных решений и методов расчета гибридных мембранно-абсорбционных и мембранно-рефрижераторных технологий и проведение численного исследования для систем осушки компримированного газа, в частности сжатого воздуха 6. Рекомендации по возможности внедрения разработанных технических решений по осушке компримированного газа, в частности сжатого воздуха для использования в промышленности и на транспорте

Всё необходимое оборудование для проведения ПНИ имеется в распоряжении авторов в режиме максимальной доступности. Участники проекта обладают огромным опытом работы на исследовательских приборах, использующихся для характеризации мембранных материалов и нанометариалов, поскольку являются их операторами. Научный коллектив исполнителей имеет доступ к уникальному научному оборудованию отделений факультета наук о материалах и химического факультета центра коллективного пользования МГУ им. М.В. Ломоносова "Технологии получения новых наноструктурированных материалов и их комплексное исследование". ФНМ обладает необходимыми для выполнения работ по проекту средствами вычислительной техники (20 нодовый кластер на основе двухпроцессорных четырехядерных 2,66 ГГц Intel Quad Core Xeon нод) и современным программным обеспечением для обработки результатов. В рамках сотрудничества с различными институтами РАН имеется возможность проводить исследования растворов и твердых фаз на ЯМР спектрометре MSL-300 (Bruker), исследовать пленочные наноматериалы с помощью атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии. В рамках договора ФМН МГУ с институтом физики СПбГУ, имеется возможность проведения исследований по деполяризации и малоугловому рассеянию нейтронов. В рамках договора ФМН МГУ с европейским синхротронным центром (ESRF, Гренобль), возможно проведение исследований по дифракции, малоугловому рассеянию синхротронного излучения, высокоразрешающей EXAFS и XAS спектроскопии. В рамках совместных работ с компанией INNOVENT Jena, возможно проводить исследования на просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения JEM-4000 (JEOL) и установке ядерного гамма-резонанса. В рамках заключенного договора Факультета наук о материалах с индустриальным партнером (ООО "ПромТех Инжиниринг") для реализации проектных решений индустриальный партнер выразил готовность проводить работы по металлообработке и изготовлению конструкционных элементов стендов для испытаний, ячеек, реакторов и т.д.

За первый этап: Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы. Изучено влияние скорости потока осушаемого газа, скорости циркуляции ТЭГ и содержания воды в нём на производительность мембранного контактора. Удалось понизить точку росы до -30С при производительности 100-200 л/(м2*ч).