Фракционирование смесей сырой нефти с использованием тепловой перегонки – это крупномасштабный энергоемкий процесс, на который приходится почти 1% мирового потребления энергии: 1100 тераватт-часов в год (ТВтч / год), что эквивалентно общему объему энергия, потребляемая штатом Нью-Йорк за год. Заменив низкоэнергетические мембраны на определенных этапах процесса дистилляции, новая технология может однажды позволить реализовать гибридную систему очистки, которая может помочь значительно снизить выбросы углерода и потребление энергии по сравнению с традиционными процессами очистки.
«Многое в нашей современной жизни происходит из нефти, поэтому разделение этих молекул делает возможной нашу современную цивилизацию», – сказал М.грамм. Финн, профессор и председатель Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии. Финн также держит Джеймс А. Семейное кресло Carlos для педиатрической техники. «Масштаб разделения, необходимого для производства продуктов, которые мы используем, невероятно велик.
Эта мембранная технология может оказать значительное влияние на глобальное потребление энергии и связанные с этим выбросы при переработке нефти."
Статья, которая будет опубликована в выпуске журнала Science от 17 июля, считается первым отчетом о синтетической мембране, специально разработанной для разделения сырой нефти и фракций сырой нефти. Для продвижения этой технологии в промышленном масштабе потребуются дополнительные исследования и разработки.
Мембранные технологии уже широко используются в таких приложениях, как опреснение морской воды, но сложность нефтепереработки до сих пор ограничивала использование мембран.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа разработала новый спироциклический полимер, который был нанесен на прочный субстрат для создания мембран, способных разделять сложные углеводородные смеси за счет приложения давления, а не тепла.
Мембраны отделяют молекулы от смесей в соответствии с различиями, такими как размер и форма.
Когда молекулы очень близки по размеру, это разделение становится более сложной задачей. Используя хорошо известный процесс создания связей между атомами азота и углерода, полимеры были сконструированы путем соединения строительных блоков, имеющих изогнутую структуру, для создания неупорядоченных материалов со встроенными пустотами.
Команда смогла сбалансировать множество факторов, чтобы создать правильную комбинацию растворимости – чтобы позволить формировать мембраны с помощью простой и масштабируемой обработки – и структурной жесткости, чтобы позволить одним небольшим молекулам проходить сквозь них легче, чем другим.
Неожиданно исследователи обнаружили, что материалам требуется небольшая структурная гибкость для улучшения различения размеров, а также способность быть немного «липкими» по отношению к определенным типам молекул, которые в изобилии встречаются в сырой нефти.
После разработки новых полимеров и достижения определенного успеха с синтетическим бензином, реактивным топливом и смесью дизельного топлива, команда решила попытаться разделить образец сырой нефти и обнаружила, что новая мембрана достаточно эффективна при извлечении бензина и реактивного топлива из сложная смесь.
«Первоначально мы пытались фракционировать смесь слишком похожих молекул», – сказал Бен МакКул, старший научный сотрудник ExxonMobil и один из соавторов статьи. «Когда мы взяли более сложное сырье, сырую нефть, мы получили фракционирование, которое выглядело так, как будто оно могло происходить из дистилляционной колонны, что указывает на большой потенциал этой концепции."
Исследователи работали совместно с полимерами, разработанными и испытанными в Технологическом институте Джорджии, затем преобразованными в пленки толщиной 200 нанометров и включенными в мембранные модули в Imperial с использованием процесса рулонного производства. Затем образцы были протестированы во всех трех организациях, что обеспечило многолабораторное подтверждение возможностей мембраны.
«У нас есть фундаментальный опыт вывода на рынок нанофильтрации органических растворителей, мембранной технологии, которая широко используется в фармацевтической и химической промышленности», – сказал Эндрю Ливингстон, профессор химической инженерии в Imperial. «Мы активно работали с ExxonMobil и Georgia Tech, чтобы продемонстрировать потенциал масштабируемости этой технологии до уровней, необходимых для нефтяной промышленности."
Исследовательская группа создала конвейер инноваций, который простирается от фундаментальных исследований до технологий, которые можно протестировать в реальных условиях.
«Мы объединили фундаментальные науки и химию, прикладные основы изготовления мембран и инженерный анализ того, как работают мембраны», – сказал Райан Лайвли, доцент и Джон Х. Сотрудник факультета Вуди в Школе химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии. «Мы смогли пройти путь от порошков в миллиграммах до прототипов мембранных модулей в коммерческих форм-факторах, которым требовалась реальная сырая нефть – было фантастически видеть этот инновационный трубопровод в действии."
Сотрудничество ExxonMobil с Технологическим институтом Джорджии насчитывает почти 15 лет, и благодаря им были разработаны инновации в других технологиях разделения, включая новую мембрану молекулярного сита на основе углерода, которая может значительно снизить энергию, необходимую для разделения класса углеводородных молекул, известных как алкилароматические углеводороды.
«Благодаря сотрудничеству с сильными академическими учреждениями, такими как Georgia Tech и Imperial, мы постоянно работаем над разработкой решений в области энергетики будущего с низким уровнем выбросов», – сказал Виджей Сваруп, вице-президент по исследованиям и разработкам ExxonMobil Research and Engineering Company.