Инновационные мембраны способны извлекать из сырой нефти до 99,8 % тяжелых углеводородов, что открывает возможности для существенной экономии энергоресурсов при промышленной переработке.
Данные разработки позволяют разделять сложные смеси углеводородов, радикально меняя подход к энергозатратной процедуре нефтеперегонки.
Ирина Медведева
Иллюстративное фото. Источник: pxhere.com
Группа международных ученых успешно создала новый тип сверхтонких полимерных мембран, получивших название «полимеры с заблокированной внутренней микропористостью» (PLIMs). Эти материалы дают возможность фильтровать углеводородные составы на микроуровне, полностью отказываясь от теплового воздействия.
Промышленная интеграция мембран PLIM открывает принципиально новую главу в нефтепереработке. В отличие от дистилляционных колонн, занимающих целые этажи заводов и потребляющих до 15 % мировой первичной энергии, мембранные модули компактны и модульны. Заводы будущего смогут размещать их непосредственно на трубопроводах или на платформах морского бурения, обрабатывая сырьё прямо у скважины.
Это сокращает логистические издержки и снижает углеродный след, поскольку отпадает необходимость транспортировки тяжёлых фракций на удалённые НПЗ.
Изменение структуры мембраны
Традиционная технология переработки нефти опирается на ежедневную термическую дистилляцию. Для получения таких фракций, как бензин, пластик или авиакеросин, нефть подвергается сильному нагреву. Хотя этот метод эффективен, он требует колоссальных энергозатрат и наносит заметный вред окружающей среде.
Исследователи предложили альтернативу, исключающую необходимость нагрева. Профессор Эндрю Ливингстон, один из авторов разработки, отмечает, что мембраны способны заменить процессы перегонки, значительно сокращая потребление энергии.
Главная сложность состояла в создании материала, обладающего одновременно высокой избирательностью и пропускной способностью при работе с промышленными углеводородами. В ходе работы был найден инновационный способ введения сшивающего агента в состав мембраны в момент её создания, что обеспечивает идеальное сочетание молекулярной фильтрации и скорости потока.
Тестирование мембраны
Мембраны выступают экологичной и эффективной заменой громоздким нагревательным установкам. В этой системе жидкость не кипятится, а проходит сквозь молекулярное «сито», задерживающее частицы определенного размера. Раньше препятствием служила агрессивность сырой нефти, из-за которой пористые полимеры разбухали, теряя свои фильтрующие свойства.
Команда доктора Чживэя Цзяна нашла решение, добавив сшивающий агент непосредственно в процессе производства. Это позволило стабилизировать структуру полимера до начала контакта с агрессивной средой, сохранив микропоры в рабочем состоянии.
При испытаниях на нефти Arabian Extra Light технология PLIM показала впечатляющие результаты: фильтрация удалила 99,8 % тяжелых углеводородов и снизила концентрацию сернистых соединений на 93 %. Это крайне важно для предотвращения коррозии оборудования. Кроме того, материал показал отличные результаты при разделении компонентов легких нефтепродуктов.
Технология уже прошла проверку в условиях, приближенных к реальным, сообщает портал Interesting Engineering. Тридцатидневные испытания на потоке Arabian Extra Light показали, что мембраны не теряют производительности и не забиваются асфальто-смолистыми отложениями, что было главным «ахиллесом» предшествующих полимерных фильтров.
Сшивка, заложенная на стадии синтеза, предотвращает набухание даже при контакте с ароматическими углеводородами, которые агрессивнее всего воздействуют на полимеры. Сейчас авторы работают над адаптацией PLIM для сверхтяжёлых сортов нефти и битуминозных песков, где содержание тяжёлых фракций превышает 50 %.
Экономический и экологический эффект
Экономический эффект от внедрения технологии трудно переоценить. Традиционный нагрев нефти до 350–400 °C требует сжигания природного газа или использования пара, что составляет до 40 % эксплуатационных затрат нефтеперерабатывающего завода.
Фильтрация через PLIM не требует тепла, а электрическая мощность для прокачки жидкостей в мембранном блоке на порядки ниже. По оценкам авторов разработки, переход на мембранное разделение способен снизить энергопотребление при первичной перегонке на 75–85 %, что при нынешнем объёме перерабатываемой нефти эквивалентно десяткам миллионов тонн сэкономленного топлива ежегодно.
Отдельного внимания заслуживает влияние на экологию. Атмосферные выбросы НПЗ включают оксиды серы, азота и летучие органические соединения, образующиеся при нагреве. Исключение стадии дистилляции практически ликвидирует эти выбросы при разделении углеводородов.
Кроме того, 93 %-ное удаление сернистых соединений до процесса переработки снижает нагрузку на системы гидроочистки и продлевает срок службы катализаторов в более масштабном смысле — мембраны PLIM позволяют получать «зелёное» сырьё для нефтехимии с минимальным воздействием на атмосферу.
Масштабирование
Разработка изначально проектировалась для промышленного масштабирования. Технология позволяет создавать листы PLIM шириной более метра, которые легко сворачиваются в стандартные спиральные модули, используемые в текущих очистных системах.
Надежность материала была подтверждена в ходе 30-дневных непрерывных испытаний без потери эффективности. Подробности проведенного исследования были опубликованы в научном журнале Science 18.
Если масштабирование пройдёт успешно, мы станем свидетелями смены парадигмы в нефтегазовом секторе.
Мембранное разделение не заменит полностью термическую дистилляцию — для сверхтонкой сепарации изомеров или производства спецфракций нагрев останется востребованным.
Но для 80–90 % объёмов перегонки, включая нафту, керосин и дизель, PLIM станет основой «холодной» нефтепереработки. Это не просто инкрементальное улучшение, а фундаментальный сдвиг, который изменит экономику отрасли и экологический след человечества на десятилетия вперёд.
Журнал "Химагрегаты" внимательно следит за современными технологиями добычи и переработки нефти, всех ее разновидностей и фракций.
Кстати, масштабное исследование, посвященное древним типам нефти и длившееся три десятилетия, было обнародовано геохимиками из Томского научно-исследовательского института, принадлежащего «Роснефти».
А в Казанском федеральном университете, используя изотопные индикаторы, раскрыли детали процесса «подземной переработки» нефти, происходящего под воздействием каталитического гидротермального метода.