Ученые лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН на основе отечественного сырья синтезировали эффективный адсорбент для извлечения легких углеводородов C2+ из природного газа при высоких давлениях (до 50 бар). Для доказательства его эффективности была проведена экспериментальная работа, в которой сравнивались селективные свойства нескольких углеродных структур различного происхождения и с разными параметрами пористой структуры. Роль природного газа в энергетике и нефтехимии постоянно растет.
Известно, что природный газ, помимо метана, содержит легкие углеводороды-алканы C2+ (этан, пропан, бутан и другое), а также посторонние примеси (азот, углекислый газ, пары воды). С точки зрения экологии и экономики, селективное разделение смеси углеводородов имеет большое значение. Так, в качестве топлива выгоднее всего использовать чистый метан без примесей, продукты сгорания которого имеют наименьший углеродный след. В свою очередь алканы C2-С4 являются ценным сырьем для газовой химии, а посторонние газы, такие как азот или водяной пар, негативно влияют на технологические процессы.
Поэтому в промышленности имеется запрос на создание систем очистки и разделения природного газа. Особенно они важны для малотоннажных систем, развитию которых в настоящее время придается большое значение. В локальных системах невозможно применять наиболее распространенный метод сепарации – энергоемкую низкотемпературную ректификацию.
Сорбционные технологии напротив, имеют большой потенциал. Промышленные адсорбенты для разделения углеводородов должны обладать высокими селективными свойствами, сохраняющимися в широких интервалах температур, давлений и концентраций, от них требуется высокая надежность и стабильность. Также необходимо, чтобы этот адсорбент можно было производить из недорого отечественного сырья, имеющегося в достаточном количестве. Оптимальным соотношением «цена-качество» обладают углеродные адсорбенты, подбирая режим синтеза и модификации которых, удается в широких пределах варьировать их структурно-энергетические свойства.
«Проблема изучения адсорбции газовых смесей заключается в сложности и трудоемкости организации натурного эксперимента особенно, когда речь идет переменных величинах концентраций, что присуще реальным системам, в связи с чем сегодня имеется высокий спрос на цифровые двойники технологических процессов и материалов. В рамках работы мы провели комплексные исследования серии углеродных адсорбентов для разделения алканов и нашли фундаментальные закономерности их эффективности от параметров пористой структуры и химии поверхности.
Также было проведено моделирование процессов адсорбции бинарных смесей в порах УА методом молекулярной динамики в широких интервалах концентраций. Полученные результаты легли в основу создания математических моделей разделения газов, которые показали, что вновь разработанный адсорбент из отходов древесины практически не снижает своих селективных свойств при изменении термодинамических условий процесса, в частности давления (вплоть до 50 бар)» – отметил один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории сорбционных процессов имени М.М. Дубинина ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Илья Меньщиков.
«В настоящее время нами вместе с ПАО «Газпром» прорабатывается проект наземного газового хранилища на несколько десятков тысяч кубометров газа. Там обязательно возникает задача предварительной очистки метана от тяжелых углеводородов, чтобы они не снижали циклическую сорбционную емкость адсорбента. Газ в хранилище будет поступать из магистральной трубы, где давление составляет как раз 50-70 бар. Возможно, именно там наша разработка будет впервые применена, как система локального извлечения легких углеводородов», – подвел итог Илья Меньщиков. Результаты исследования опубликованы журнале ACS.