Тема: ПРОНИЦАЕМОСТЬ УКЛАДОК ОТКРЫТЫХ НАНОТРУБОК

Актуальность и практическая значимость. Гелий - второй по распространенности элемент во Вселенной, однако в атмосфере Земли его очень мало (содержание в воздухе 5-10-4 % об.). Природный газ остается самым богатым и доступным источником гелия, что делает его выделение неизбежной стадией утилизации природного газа. Месторождения нефти и газа по массовой концентрации гелия делятся на четыре вида: бедные газы - содержание гелия менее 0,1 %; рядовые - содержание гелия от 0,1 до 0,49 %; богатые - содержание гелия от 0,5 до 0,99 %; весьма богатые - содержание гелия больше 1 %.
В России до настоящего времени гелий извлекается из природных и попутных нефтяных скважин с низким его содержанием (0,04 - 0,12 %).
Основным способом извлечения гелия из природного газа остается криогенный, где выделения гелия разделением природного газа на фракции происходит при низких температурах и сжижаются его значительные объемы, что обусловливает большие энергетические и материальные затраты. Поэтому одной из задач при исследовании технологий извлечения гелия из природного газа является разработка энергетически и экономически эффективных технологических схем, характеризующихся минимальными затратами на производство гелия.
Добыча природного газа и разделение его на компоненты является серьезной проблемой современной науки, которая до сих пор испытывает недостаток в продуктивных методах реализации этого процесса. С другой стороны, наличие гелия и иных неорганических веществ наносит ущерб горючим свойствам природного газа, что говорит о необходимости его извлечения.
Среди различных технологий, используемых для получения гелия, мембранная технология отличается высокой эффективностью, малым размером поверхности, простотой в эксплуатации, легкостью масштабирования и экологичностью. Мембрана является ключом к решению проблемы газоразделения, поскольку именно она определяет селективные барьеры для газовых компонент. Идеальная мембрана должна быть настолько тонкой, насколько это возможно, чтобы получить максимальный поток вещества через ее поры, а так же добиться максимальной силиктивности.
Мембранная технология извлечения гелия из состава гелийсодержащего газа позволяет существенно упростить аппаратурное оформление процесса газоразделения в сравнении с традиционной технологией низкотемпературной конденсации и ректификации. В мембранной установке отсутствуют движущиеся детали, при эксплуатации мембранных разделительных систем нет необходимости в использовании каких-либо реагентов. Энергопотребление установки определяется только затратами на компримирование и инженерное обеспечение помещения, в котором располагается установка. Мембранные установки характеризуются высокой надежностью, устойчивостью к неполадкам, низкими капитальными и эксплуатационными затратами, простотой эксплуатации и полной автоматизацией.
В последние годы активно изучаются и внедряются газоразделительные мембраны на основе углеродных нанотрубок.
Необычное поведение газов и жидкостей внутри углеродных нанотрубок продолжает вызывать большой интерес. Известно, что на основе углеродных нанотрубок могут быть получены газоразделительные мембраны имеющие существенные отличия от полимерных. Необходимым условием получения новых углеродных мембран с высокой селективностью и проницаемостью является дальнейшее изучение механизмов молекулярного транспорта.
В связи с этим, были поставлены задачи:
1. Построить математическую модель укладки открытых углеродных нанотрубок.
2. Определить предельную скорость прохождения слоя, составленного параллельными открытыми углеродными нанотрубками
3. Найти способ определения дифференциальной проницаемости слоя, состоящего из открытых углеродных нанотрубок.
4. Определить селективную проницаемость слоя, составленного
параллельными открытыми углеродными нанотрубками.
Цель магистерской диссертации заключается в апробации схемы расчета проницаемости углеродных нанопористых структур и нахождении оптимального значения параметра укладки, обеспечивающего наибольшую селективность разделения метаново-гелиевой смеси.
Объектом исследования является нанопористые углеродные структуры, составленные открытыми нанотрубками.
Для решения задачи используются методы математического моделирования, опирающиеся на применение моделей свободных систем материальных точек, двигающихся в заданных потенциальных полях силового взаимодействия, и численные схемы интегрирования систем динамических уравнений.
Предметом исследования выступают взаимодействия свободных молекул и атомов с наноразмерными элементами углеродной структуры.
Научная новизна заключается в реализации подхода, позволяющего определить относительную проницаемость нанопористых слоев, а следовательно и их селективность в отношении разделения природной смеси газов.
Достоверность результатов определяется строгостью математических постановок, использованием схем повышенного порядка точности и проверкой балансового соотношения, определяющего полную энергию системы.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель динамики молекул около системы нанотрубок.
2. Результаты расчетов и способ нахождения предельных скоростей прохождения слоя, образованного открытыми нанотрубками, атомами гелия и молекулам и метана.
3. Результаты расчетов относительной доли прошедших молекул через слой, составленный открытыми нанотрубками.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, основная часть, заключения, списка литературы (29 наименований). Общий объем диссертационной работы 43 стр., 17 рисунков и 2 таблицы.
Во Введении обоснована актуальность темы исследования выпускной квалификационной работы, определены цель и задачи исследования, его предмет и объект, научная новизна и практическая значимость.
В основной части выпускной квалификационной работы описаны: история открытия нанотрубок, их строение, физические свойства и применение; состояние вопроса; предложена математическая модель динамики молекул около системы нанотрубок; получены расчеты и способы нахождения предельных скоростей прохождения слоя гелия и метана; рассчитана относительная проницаемость слоя, состоящего из укладки открытых углеродных нанотрубок.
В Заключении изложены основные результаты исследования.
Купить

В ходе работы было предложена схема оценки дифференциальной проницаемости слоя, состоящего из открытых углеродных нанотрубок. Осреднение энергии взаимодействия выполнено по элементарной плоской ячейке, расположенной перпендикулярно оси трубок. Этими ячейками паркетируется вся поверхность проницаемого слоя. Низкоэнергетические молекулы не проходят однородный слой. Однако, начиная с некоторой скорости, укладка из нанотрубок становится проницаемой. Найденная минимальная скорость и распределение Максвелла позволяют определить процент молекул, прошедших через слой укладки трубок. Этот процент и будет определять относительную проницаемость. В работе рассмотрена однопараметрическая прямоугольная укладка. Найдены кривые проницаемости для этого случая. Расчётами также установлено, что проницаемость системы параллельных открытых нанотрубок не зависит от их длины и определяется входным профилем осредненной энергии взаимодействия укладки трубок. Поэтому и сам профиль в адиабатическом случае (отсутствия обмена энергий с атомами углерода кристаллической структуры трубки) является инвариантным, относительно продольных размеров трубки и симметричным по отношению к позициям вход - выход. В связи с этим, проницаемость оказалась зависящей лишь от поперечного размера трубок и степени их сближения друг с другом.
В результате работы были выполнены все поставленные задачи:
1. Построена математическая модель укладки открытых углеродных нанотрубок.
2. Найден способ определения дифференциальной проницаемости слоя, состоящего из открытых углеродных нанотрубок.
3. Определена селективная проницаемость слоя, составленного открытыми углеродными нанотрубками.
Купить