- Синтез усовершенствованных вычислений и процессов
Высокопроизводительные вычисления (HPC) открывают огромные возможности для химической инженерии в целом и процессов разделения в частности. Сложные схемы разделения, гибридные процессы, комбинированные реакционные и сепарационные системы могут быть спроектированы с помощью так называемых методов синтеза процессов. Очень большая комбинаторная проблема таких систем уже давно является барьером для систематических проектных исследований, но современные методы, такие как нейронные сети, машинное обучение или надстроечные программы, открывают новые горизонты.
- Инновации через новые структуры и технологии производства
Бесконечное творчество химиков и материаловедов постоянно создает новые возможности для сепарационных процессов (2005). В последнее время поступают сообщения о новых разделительных агентах, таких как ионные жидкости для абсорбции, металлические оксидные каркасы (MOF) для адсорбции (Gascon и Kapteijn, 2010), графен (Geim, 2009) или мембраны на основе углерода, которые открывают впечатляющие возможности для разделения. Подходы, основанные на биоиндустрии, привели к появлению новых процессов разделения, таких как аквапорины (de Groot and Grubmüller, 2001) для опреснения воды или углеродная ангидраза для улавливания углерода; свойства биомолекул могут служить источником вдохновения для новых процессов разделения. С точки зрения технологии производства, 3D-печать открывает впечатляющие возможности для создания сложных форм. Это может представлять большой интерес для новых упаковок (дистилляция, абсорбция и экстракция) или хроматографических систем (например, монолитов). Таким образом, общий вопрос об оптимальной форме для максимального массообмена и минимальном рассеянии энергии за счет перепада давления (Lightfoot, 1987) может быть пересмотрен благодаря этим новым производственным инструментам.
- К устойчивым процессам и производственным системам
Новый комплекс ограничений и проблем, подробно описанных в двух предыдущих пунктах, может сыграть ключевую роль в создании новых устойчивых систем производства материи и энергии. Можно ожидать, что разработка новых, эффективных и устойчивых процессов разделения будет иметь большое значение для достижения многочисленных промышленных целей.
Известно, что в биотехнологиях и биорефрижераторах используется большое число методов разделения, большинство из которых не являются термическими. Последующая технологическая цепочка соответствует доминирующей стоимости производства биомолекул (Belter et al., 1988). Будущая среда ЦПИ будет близка к среде биоиндустрии.
Аналогичная ситуация наблюдается в фармацевтике и здравоохранении, где из сложных жидкостей часто приходится извлекать термочувствительные молекулы. В качестве альтернативы прорывные инновации могут быть реализованы для компактных, автономных, энергосберегающих устройств, таких как искусственные легкие, модули диализа крови, активные распылители смесей или персональные оксигенаторы. Признание того, что процессами разделения являются, в общем случае, системы массопередачи, инновации или новые конструкции в этой области могут быть полезны для контролируемого высвобождения или медицинских устройств.
Тем не менее, наиболее значительные ожидания, связанные с усовершенствованными процессами разделения, вероятно, относятся к водно-энергетическому сектору. В производстве питьевой воды и очистке сточных вод исторически использовался целый ряд сепарационных процессов. Поиск энергосберегающих и интенсифицированных производственных систем продолжается до сих пор: процессы испарения первого поколения для производства питьевой воды постепенно заменяются установками обратного осмоса, и это в основном связано с высокой энергоэффективностью мембранных систем (Elimeleh и Phillip, 2011). Возможно, что инновационные ионообменные смолы, электрохимические процессы или процессы испарения на основе солнечной энергии открывают интересные перспективы в ближайшем будущем (Agrawal and Mallapragada, 2010). Для повышения энергоэффективности систем водоподготовки также интенсивно исследуется рекуперация энергии из морской воды с помощью осмоса с ограничением давления или концепций обратного электродиализа. Большой "углеродный след" нынешних энергетических установок (угольные электростанции) и появление систем производства возобновляемого тепла и электроэнергии, наконец, представляют собой серьезную проблему для процессов сепарации: улавливание и хранение углерода (CCUS) - это, в основном, проблема процессов сепарации (House et al., 2011), которые могут сыграть решающую роль в уменьшении выбросов парниковых газов. Производство водорода, будь то в результате парового риформинга из природного газа, электролиза воды или газификации биомассы, требует эффективных методов добычи и очистки. Эти проблемы охватывают очень широкий диапазон размеров и соответствуют сложным интегрированным системам, для которых еще предстоит оценить и усовершенствовать существующую методологию и инструментарий (Chu and Majumdar, 2012).