В Корее разработали мембрану, позволяющую отделить от сырой нефти лёгкие компоненты - нафта, бензин и керосин - при комнатной температуре
- 3 часа назад
- 4 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Команда под руководством профессора Ко Дон Ёна разработала сепарационную мембрану нового поколения, позволяющую перерабатывать сырую нефть при комнатной температуре
- Сокращение энергопотребления на 31,6 % и выбросов углекислого газа на 37,6 % по сравнению с процессом дистилляции
Сепарационная мембрана, перерабатывающая сырую нефть при комнатной температуре без использования селективного слоя. Самообразующиеся наноканалы позволяют сократить потребление энергии и выбросы углерода [Предоставлено KAIST]
Южнокорейские учёные разработали технологию, способную кардинально изменить существующую парадигму нефтепереработки, сопровождающуюся огромными энергетическими потерями и выбросами парниковых газов.
25 июня Министерство науки и ИКТ Южной Кореи сообщило, что исследовательская группа во главе с профессором Ко Дон Ёном из факультета химической и биомолекулярной инженерии Корейского института передовых технологии (KAIST) разработала технологию сепарационных мембран нового поколения, позволяющую перерабатывать сырую нефть при комнатной температуре с помощью недорогих полимерных мембран без нагрева.
Результаты исследования, проведенного в рамках проекта при поддержке Министерства науки и ИКТ ЮК, опубликованы в авторитетном международном научном журнале «Nature».
Нефтеперерабатывающие заводы по всему миру используют метод «дистилляции», при котором сырую нефть сначала нагревают до кипения, а затем охлаждают. Однако этот метод потребляет 1100 ТВт·ч (тераватт-часов) энергии в год и приводит к выбросам огромного количества парниковых газов. В последнее время научное сообщество уделяет пристальное внимание исследованиям, направленным на фильтрацию сырой нефти с помощью разделительных мембран без её нагрева.
Хотя традиционно считалось, что разделительная мембрана обязательно должна быть покрыта селективным слоем, позволяющим отфильтровывать вещества, исследовательская группа применила нестандартный подход, пропустив сырую нефть через пористую полимерную мембрану без какого-либо покрытия. В результате было обнаружено, что тяжёлые нефтяные компоненты, содержащиеся в сырой нефти, прилипают к мембране, спонтанно образуя тонкие микроканалы размером не более 2 нм — что составляет 1/50 000 толщины волоса.
Благодаря этим каналам в мембране лёгкие компоненты — нафта, бензин и керосин, — быстро отделялись, а тяжёлые остатки отфильтровывались полностью. Обычно прилипание нефтяных компонентов к поверхности разделительной мембраны считается «засорением» (fouling), ухудшающим рабочие характеристики, однако исследовательская группа использовала этот процесс в обратном направлении, превратив его в инструмент для создания каналов разделения.
Исследователи не только достигли скорости разделения, в 23 раза превышающей показатели лучших из ранее описанных мембран для разделения сырой нефти, но и продемонстрировали превосходную стабильность, подтвердив отсутствие снижения производительности даже после 28 дней непрерывного разделения сырой нефти.
Энергоэффективное предварительное фракционирование сырой нефти с использованием мезопористых и макропористых мембран на основе полиакрилонитрила (PAN).
Аннотация: Атмосферная и вакуумная дистилляция потребляют более 1100 ТВт·ч/год и ежегодно приводят к выбросам более 160 млн метрических тонн эквивалента CO2, что делает мембранное предварительное фракционирование перспективной стратегией модернизации для снижения энергоемкости и углеродной интенсивности нефтепереработки. В данной работе мы демонстрируем, что пористые полиакрилонитрильные (PAN) мембраны, обычно используемые в качестве опорных слоев, обеспечивают эффективную молекулярную переработку сырой нефти в стационарном режиме. При тангенциальном потоке мембраны из PAN демонстрировали высокую проницаемость для сырой нефти — до 0,591 ± 0,040 л м−2 ч−1 бар−1, что более чем в 23 раза превышает предыдущий эталонный показатель (<0,1 л м−2 ч−1 бар−1), селективно давая обогащенные фракции более легких углеводородов, таких как нафта и керосин. Эта неожиданная селективность обусловлена динамическим осаждением тяжелых углеводородов внутри поверхностных мезопор, размер которых изначально составлял примерно 15 нм, что приводит к сужению диаметра пор до размеров менее 2 нм. Химическая идентификация с разрешением по глубине выявляет селективное накопление н-алканов, что свидетельствует о механизме самоограничивающегося сужения пор, стабилизирующего пути селективного транспорта. Как только осаждение n-алканов стабилизируется, происходит селективное обогащение сырой нефти, стабильность которого сохраняется в течение 4 недель. Моделирование процесса показывает, что предварительное фракционирование с использованием PAN-мембран позволяет сократить потребление энергии на 31,6 %, расход охлаждающей воды — на 20,7 % и выбросы CO2 — на 37,6 % по сравнению с традиционной атмосферной дистилляцией.
Моделирование технологического процесса и экспериментальная проверка возможности сепарации с высоким степенью раздела с использованием мембраны PAN (10).
Предполагаемый механизм образования динамического осадочного слоя и долгосрочной стабильности мембран.
Характеристики фракционирования мембраны PAN (10) с двумя различными сортами сырой нефти: AXL и AL.
Физико-химическая характеристика динамически осаждаемого слоя.
Эффективность тупиковой фильтрации (dead-end filtration) у мембран из ПАН и коммерческих мембран при фракционировании сырой нефти.
Зависимость проницаемости сырой нефти AL для мембран из ПАН и коммерческих мембран от времени при тупиковой и поперечно-поточной фильтрации.
Оценка энергетических, экологических и экономических аспектов мембранного предварительного фракционирования сырой нефти.
Профессор Ко Дон Ён из KAIST рассказывает о технологии сепарационных мембран нового поколения [Фото предоставлено KAIST]
Главное преимущество этой технологии заключается в том, что её можно немедленно внедрить, просто добавив фильтрующие модули в трубопроводную систему существующих нефтеперерабатывающих заводов без огромных затрат на замену оборудования. Если пропускать сырую нефть через эту разделительную мембрану, сначала отделяя нафту, бензин и другие компоненты, а оставшиеся компоненты дистиллировать в существующих дистилляционных колоннах, то по сравнению с дистилляцией с самого начала можно сократить потребление энергии на 31,6 %, выбросы углекислого газа — на 37,6 %, а эксплуатационные расходы — на 36 %.
Если расширить применение этой технологии на всю нефтеперерабатывающую и нефтехимическую отрасль страны, можно сократить выбросы парниковых газов примерно на 10 млн тонн в год. Это соответствует объему углерода, выбрасываемого 4 млн легковых автомобилей за год.
Кроме того, технология не ограничивается только разделением сырой нефти, но может быть расширена на различные процессы точной химии, такие как очистка масла, полученного в результате термического разложения отходов пластмассы, регенерация растворителей для аккумуляторов и очистка лекарственных препаратов. Ожидается, что это позволит заменить процессы разделения, которые до сих пор зависели от зарубежных технологий, на собственную платформу «молекулярной нефтепереработки».
«Данное исследование стало результатом выявления нового научного принципа, согласно которому разделительная мембрана при контакте со смесью самостоятельно формирует оптимальный канал разделения» - заявил профессор Ко Дон Ён, добавив: «Мы полагаем, что после проверки в пилотном масштабе полномасштабная коммерциализация станет возможной в течение 3–5 лет».
Комментарии