Регистрация / Вход
Прислать материал

14.586.21.0028

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.586.21.0028
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Название доклада
Новое поколение нанопористых органических и гибридных аэрогелей для промышленного применения: от лаборатории к промышленному производству
Докладчик
Меньшутина Наталья Васильевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка электронной модели установки и временного (пускового) технологического регламента первого опытного полупромышленного производства нового поколения многофункциональных нанопористых органических и гибридных аэрогелей для применения в качестве адсорбентов токсичных промышленных газов, для контроля параметров микроклимата в замкнутых помещениях, при производстве товаров народного потребления и в пищевой промышленности.

Актуальность и новизна исследования
Промышленное производство аэрогелей ограничено и включает лишь производство данных материалов на основе диоксида кремния (например, Cabot Aerogel, Aspen Aerogels, NanoTech, Airglass и другие). Однако рынок аэрогелей имеет высокий потенциал роста и, следовательно, актуальным является масштабирование процессов их получения, создание пилотных установок и промышленного производства. Последние аналитические исследования рынка, проведенные Marketandmarkets, показали, что прибыль от производства аэрогелей в 2011 г. составила 115,7 миллионов долларов США. Прогнозируется дальнейший рост прибыли с 174,6 миллионов долларов США в 2012 г. до 1379,6 миллионов долларов США к 2017 г., среднегодовой темп роста (Compound Annual Growth Rate, CAGR) составит 51.4 % [Marketandmarkets, “Aerogel Market by Type (Silica, Polymer, and carbon), by Form (Blanket, Panel, Particle, & Monolith), by Processing (Virgin & Fabricated), by Application (Oil & Gas, Construction, Automotive, Marine & Aerospace, Performance Coatings, Day Lighting, & LVHS),” 2015].
На сегодняшний день, не существует производства органических аэрогелей в промышленных масштабах. Это значительно ограничивает дальнейшие разработки, связанные с использованием органических аэрогелей и их внедрение на рынок.
В настоящий момент не существует опытного полупромышленного производства многофункциональных нанопористых органических и гибридных аэрогелей в форме микрочастиц, что обосновывает необходимость проводимых исследований и подтверждает несомненную актуальность данного проекта.
Описание исследования

В рамках данного проекта планируется решение следующих задач.

  1. Развитие теоретических основ сверхкритической сушки в многокомпонентной среде сверхкритического флюида (СКФ); изучение влияния давления и температуры на физико-химические свойства СКФ; изучение особенностей гидродинамики движения потоков в реакторе; изучение процессов тепло- и массопереноса на границе СКФ - пористое тело, а также процессов диффузии внутри пористого тела. Для осуществления вышеперечисленного будут использованы как собственные экспериментальные данные, так и данные иностранных партнеров.
  2. Разработка клеточно-автоматных моделей для процессов, протекающих в среде сверхкритического флюида; разработка модели для описания диффузии сверхкритического CO2 через поры гелей; разработка клеточно-автоматной модели структур аэрогелей различной природы.
  3. Создание математической модели для описания гидродинамики, тепло- и массопереноса в среде сверхкритического CO2, основанная на положениях механики сплошных сред для установок различного объёма.
  4. Проведение численных экспериментов на основе разработанных моделей процессов сверхкритической диффузии и адсорбции.
  5. Проведение  численных экспериментов по масштабированию процесса сверхкритической сушки с использованием разработанной математической модели для описания гидродинамики, тепло и массопереноса в среде сверхкритического CO2.
  6. Масштабирование существующих экспериментальных установок (объёмами 5, 30 и 500 литров) с использованием методов математического моделирования: клеточно-автоматных моделей и механики сплошных сред. Поиск новых конструктивных решений для изменения существующих промышленных реакторов высокого давления с использованием результатов численного эксперимента по предложенным моделям. Рекомендации по масштабному переходу процесса сверхкритической сушки с лабораторного на промышленный уровень.
  7. Создание электронной модели установки и временного (пускового) технологического регламента первого опытного полупромышленного производства нового поколения многофункциональных нанопористых органических и гибридных аэрогелей.

Решение этих задач позволит повысить уровень готовности технологии для трансфера в промышленность в соответствии с международной системой оценок (Technology readiness levels) от 4 (на данный момент) до 6-7. В рамках проекта планируется впервые наработать опытную партию микрочастиц органических и гибридных аэрогелей (использование оборудования иностранного партнера BASF-Lemfoerde, а именно реактор для сверхкритической экстракции объемом более 500 л). Это позволит участникам проекта занять ключевую позицию в данной области производства, поскольку на сегодняшний момент в мире нет предприятий, выпускающих органические и гибридные аэрогели в форме микрочастиц.

Результаты исследования

От РХТУ ожидаются следующие результаты:

1) Разработка программного комплекса для генерации трехмерных структур аэрогелей различной природы.

2) Разработка клеточно-автоматной модели для процесса диффузии сверхкритического CO2 через поры гелей, для чего будут использованы результаты экспериментальных исследований, проведенных иностранными партнерами. На основе разработанной модели будет проведен численный эксперимент процесса диффузии растворителя на основании структуры аэрогеля с использованием клеточно-автоматной модели. Будет разработана клеточно-автоматная модель для описания процессов, протекающих в среде сверхкритического флюида.

3) Разработка математической модели для описания гидродинамики, тепло- и массопереноса в среде сверхкритического CO2, основанная на положениях механики сплошных сред. С использованием экспериментальных данных, собственных и предоставленных иностранными партнерами будет проверена ее адекватность.

4) Расчеты и масштабирование процесса сверхкритической сушки в реакторах различного объема с применением разработанных математических моделей. Будет проведен сравнительный анализ полученных результатов. Для дополнительной оценки полученных результатов будут использованы данные экспериментальных исследований, предоставленные иностранными партнерами.

5) Электронная модель установки и временный (пусковой) технологический регламент первого опытного полупромышленного производства нового поколения многофункциональных нанопористых органических и гибридных аэрогелей.

Разработанные материалы и технологии будут реализованы на пилотной установке (объемом более 500 л) для получения органических и гибридных аэрогелей. Будет проведен экономический расчет производства аэрогелей. Это позволит впервые реалистично оценить рыночную конкурентоспособность продуктов и материалов, основанных на органических аэрогелях, и сравнить с обычными пористыми материалами. Это также позволит разработать стратегии снижения затрат при увеличении масштаба производства. Будут сделаны рекомендации по конструктивным характеристикам разрабатываемого оборудования и его масштабированию.

В рамках данного проекта планируется зарегистрировать программное обеспечение для генерации трехмерных структур аэрогелей различными методами.

Практическая значимость исследования
Первый приоритет исследований – создание первого в мире производства органических и гибридных аэрогелей в форме микрочастиц. На настоящий момент производство аэрогелей и материалов на их основе ограничивается созданием монолитов и рулонных материалов для изоляции и применения в атомной и аэрокосмической промышленностях. Увеличение объемов производства вызовет снижение стоимости аэрогелей, они приобретут конкурентоспособность при сравнении, например, с прочими адсорбционными материалами.
Второй приоритет исследований – математическое моделирование процессов в среде СКФ, в частности процесса сверхкритической сушки. Процесс сверхкритической сушки – сложный, длительный и самый важный этап получения аэрогелей. Математическое моделирование дает возможность оптимизировать и масштабировать данный процесс.
Математическая модель сверхкритической сушки, основанная на положениях механики сплошных сред, позволит предсказать гидродинамическую обстановку и ход тепло- массообменных процессов в реакторах с разной геометрией; с помощью предлагаемой математической модели станет возможным:
а) минимизировать время процесса сверхкритической сушки;
б) осуществлять масштабирование процессов в среде СКФ без дорогостоящих экспериментальных исследований.
Результаты, полученные в ходе выполнения предлагаемого проекта, будут являться заделом для проведения опытно-конструкторских НИР, направленных на разработку пусковых и производственных регламентов.