Разделяй и властвуй

Властвовать над экологическими проблемами путем умелого разделения газовых смесей поможет реализация проекта, о котором пойдет речь в нашем материале. Сокращение вредоносных промышленных выбросов, поиск инновационных путей снижения экологической нагрузки являются приоритетными задачами, декларированными Киотским протоколом и Парижским соглашением.

Казахстан как участник глобальной политики предотвращения изменений климата активно взаимодействует с международным сообществом по вопросам снижения вредных выбросов и парниковых газов. В этой связи научные исследования в области переноса газовых смесей представляют особый интерес, так как являются основой разработок различных методик по расчету технологических схем очистки, выбросов и поглощения парниковых газов. А при оптимальном сочетании таких факторов, как производительность и селективность в технологиях разделения, следует ожидать не только более глубокой и рациональной переработки многокомпонентной субстанции, но и снижения капитальных и эксплуатационных затрат, а также уменьшения воздействия антропогенного фактора на окружающую среду.

В задачах проекта - провести экспериментальные и численные исследования механического равновесия изотермических тройных газовых смесей, изучить особенности возникших гравитационных концентрационных течений при различных условиях, получить расчетные данные о воздействии перекрестных эффектов на определение границ перехода «диффузия - конвекция» и подтвердить сделанные расчеты.

Научная новизна проекта

Современные технологии производства материалов, добычи углеводородного сырья, прогнозирования природных явлений требуют адекватного описания процессов переноса тепла и массы в жидкостях и газах, которые, как правило, представляют собой смеси различных веществ с большим числом компонентов и разнообразными свойствами. Сложности в описании таких смесей определяются наличием нескольких механизмов переноса тепла и массы.

Одним из результатов такого совместного действия является эффект сепарации компонентов системы с обогащением результирующей смеси самым тяжелым по плотности ингредиентом. Интерес к процессам приоритетного переноса вещества, сепарации жидких и газовых смесей на фракции или компоненты с заданными свойствами диктуется современными подходами в нефтехимической и энергетической отраслях промышленности.

Проект AP09259248 «Возникновение концентрационной гравитационной конвекции при многокомпонентной диффузии в устойчиво стратифицированных средах» соответствует этим мировым трендам и предполагает расчетно-теоретическое и экспериментальное изучение комбинированного массопереноса для модельных систем, где одним из компонентов может являться и экологически опасный газ.

Исследования в этой области имеют фундаментальную и прикладную значимость в связи с развитием подходов по разделению смесей и их очистке, а также необходимостью более глубокого понимания процессов тепломассопереноса.

Где и как использование результатов проекта может быть применено сегодня на практике?

Результаты, полученные при выполнении проекта, представляются научно важными и практически значимыми, так как позволят использовать новые знания для управления движением газовых смесей в технологических системах очистки. Полученные впервые результаты будут использованы для выбора оптимальных решений в областях транспорта отработанных газов, что будет способствовать снижению экологической нагрузки на окружающую среду. Результаты исследований окажут влияние на научные направления в области технологии разделения и очистки, физики газов и жидкостей, так как будут иметь инновационный характер.
Одним из конечных результатов проекта являются рекомендации по составу смесей, включающие в себя информацию о парниковых газах, теплофизических свойствах компонентов и параметров для осуществления максимального эффекта очистки.

Целевыми потребителями полученных результатов будут являться инжиниринговые компании, которые занимаются вопросами разделения и очистки различных сред от экологически опасных компонентов и проектные лаборатории по экологическому контролю и мониторингу.

Полученные в рамках исследовательского проекта результаты имеют междисциплинарный характер и могут оказать развитие на смежные области науки. Такое влияние видится в химической теории диссипативных структур и неравновесных фазовых переходов; в экологии - при физико-химическом и механическом способах очистки отработанных смесей газов; фармакологии - в технологиях оценки эффективности лекарственных средств.

Сумма грантового финансирования

Объем грантового финансирования по проекту за три года соответствует 60,4 миллионам тенге, что соответствует 97% от запрашиваемого финансирования.

В 2021 г. финансирование проекта полностью покрывало издержки и материальные затраты при выполнении исследований.

Однако в 2022 г. за счет глобального ухудшения экономической ситуации в мире, инфляции, роста цен на материалы, услуги и транспортные расходы пришлось оптимизировать издержки путем более эффективного проведения экспериментальных исследований, уменьшения числа научных командировок и их длительности в пользу приобретения материалов и оборудования.

Кульжанов Дюсембек Урингалиевич,

доктор физ.-мат. наук, профессор, исполнитель проекта

Перспективы коммерциализации результатов проекта

Полученные при выполнении проекта результаты, которые публикуются в специализированных журналах с высоким научным рейтингом, в основном носят фундаментальный характер. Научный эффект заключается в получении новой информации о теплофизических свойствах компонентов, процессах тепломассообмена.

Ожидается, что использование полученных результатов при проведении инженерного анализа в отдельных производственных сегментах теплоэнергетического сектора промышленности позволит получить более точную модель расчета основных теплофизических характеристик и осуществлять выбор оптимальных режимов проведения технологических процессов, повышая энергоэффективность и снижая затратность в работе.

Для рассматриваемого проекта эта часть работы невозможна без привлечения инжиниринговых компаний, которые занимаются вопросами разделения и очистки различных сред на производстве. На начальном этапе возможной совместной деятельности с такими организациями перспектива коммерциализации результатов научных исследований в рамках данного проекта видится в получении совместных патентов с последующим выходом на международный рынок интеллектуальной собственности.

Лабораторная база проекта

Выполнение исследований по проекту осуществляется в лабораториях кафедры физики при Казахском национальном педагогическом университете имени Абая, которые имеют соответствующие коммуникации, оборудование и вычислительные программные комплексы.

Успешной реализации проекта способствует и созданная коллаборация с представителями дружественных университетов и институтов.

Мухамеденкызы Венера, кандидат
физ.-мат. наук, исполнитель проекта

Для проведения тестовых опытов и некоторых вычислительных экспериментов задействована исследовательская инфраструктура НИИ экспериментальной и теоретической физики при КазНУ им. аль-Фараби и Атырауского университета нефти и газа. Такой неформальный консорциум позволяет по отдельным направлениям достичь синергетического эффекта в получении новых знаний и оптимально использовать материальные ресурсы.

Команда ученых проекта

Более 1/3 участников проекта являются молодыми учеными в возрасте до 40 лет включительно, из которых двое, являясь докторантами КазНПУ имени Абая, выполняют задания, соответствующие тематике диссертационных исследований. В рамках утвержденного плана проводимых исследований все они занимаются конкретной деятельностью: выполняют реальный физический эксперимент, осуществляют численное моделирование изучаемых процессов в конкретных условиях, проводят верификацию опытных и численных результатов.

Жусанбаева Айым, докторант

Такое погружение в проектную деятельность позволяет молодым ученым получить авторские научные результаты, которые они с успехом представляют на научных конференциях различного уровня, публикуют в отечественных и международных журналах.

Федоренко Ольга Владимировна,

кандидат физ.-мат. наук, исполнитель проекта

Полученные в ходе исследований результаты являются обоснованием для научно-исследовательской работы студентов. В рамках полученных результатов сформулированы темы для двух магистерских диссертаций, защита которых запланирована в 2023 году.

В заключение можно сказать, что полученные фундаментальные результаты окажут влияние на развитие научного направления, связанного с комбинированным массопереносом в газовых смесях. Для систем, содержащих парниковые газы, могут быть представлены рекомендации по улучшению экологической обстановки вблизи предприятий, где фиксируются их выбросы. Рекомендации позволят более корректно осуществлять выбор оптимальных режимов смешения и тем самым снизят затратность в работе отдельных производственных сегментов, что приведет к улучшению экономических показателей, а сами результаты будут иметь самостоятельную научно-техническую ценность. Экспериментальные и расчетные данные проекта могут являться основой для создания гибридных подходов в технологиях разделения и очистки газовых и жидких систем.

Владимир Николаевич КОСОВ,

доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент НАН РК,

руководитель проекта,

КазНПУ им. Абая

15.12.2022 г.

Источник: bilim.expert