НАУЧНЫЙ ПОДХОД

В рамках Белорусского промышленно-инвестиционного форума — 2020 в Минске состоялись международные специализированные выставки «Техиннопром», «Профсварка», «Химия. Нефть и Газ», «Полимеры и композиты», а также семинары, конференции, ярмарка инновационных разработок, контактно-кооперационная биржа и другие мероприятия.

ОАО «Гомельский химический завод» выступило генеральным партнером выставки «Химия. Нефть и Газ», которая была организована выставочным унитарным предприятием «Экспофорум» при поддержке концерна «Белнефтехим», Национальной академии наук Беларуси и Белорусского химического общества.

Как сообщили организаторы, Белорусский промышленный форум в этом году привлек 245 участников выставок, около 3,7 тыс. посетителей. На мероприятиях деловой программы присутствовали почти 1,3 тыс. специалистов.

Семинар, организованный ГНУ «Институт химии новых материалов» (ИХНМ) НАН Беларуси и УП «Экспофорум», был посвящен перспективным научным разработкам для химического и нефтеперерабатывающего производства.

СВЕТОСТАБИЛИЗАТОРЫ

Под руководством академика НАН Беларуси, профессора, д.х.н. Владимира Агабекова ученые Института химии новых материалов НАН Беларуси и специалисты ОАО «СветлогорскХимволокно» организуют опытно-промышленное производство светостабилизатора динатриевой соли 4,4’-азобензолдикарбоновой кислоты (ДНС) в ОАО «СветлогорскХимволокно».

 

Заместитель заведующего лабораторией композиционных материалов ИХНМ НАН Беларуси, ведущий научный сотрудник, к.х.н. Юрий Матвеенко напомнил, что несколько лет назад в ИХНМ НАН Беларуси была разработана технология получения ДНС с использованием глюкозы в качестве восстанавливающего реагента. Преимущества этого способа очевидны: реакции проводятся в водной среде, восстановление протекает без выделения водорода, отходы не требуют специальных методов утилизации.

Как сообщил Юрий Матвеенко, эта технология опробована в укрупненных синтезах. На оборудовании института выпущена опытная партия ДНС — 90 кг — и испытана в ОАО «СветлогорскХимволокно» при наработке партии волокна арселона. На основе полученных результатов разработаны опытно-промышленный технологический регламент и исходные данные для проектирования опытно-промышленной установки для производства светостабилизатора ДНС.

Дальнейшая адаптация разработанной в ИХНМ НАН Беларуси в 2017-2018 годах импортозамещающей технологии проводилась в рамках программы ГНТП «Малотоннажная химия» на 2016—2020 годы. Ставилась задача организовать опытно-промышленное производство динатриевой соли 4,4’-азобензолдикарбоновой кислоты в ОАО «СветлогорскХимволокно». Цель проведения НИОК(Т)Р — научное обеспечение производства ДНС с высокими качественными характеристиками, не уступающими по уровню зарубежным аналогам, т.е. освоение производства импортозамещающей продукции. Для этого проводились научные, технологические и опытно-конструкторские исследования по внедрению опытной технологии получения динатриевой соли 4,4’-азобензолдикарбоновой кислоты.

По словам докладчика, на основе опытно-промышленного регламента были разработаны рекомендации по подбору оборудования на всех стадиях производства: дозировка сырья, проведение синтеза, отделение и промывка ДНС, сушка, дробление и упаковка продукта. Оптимальные технологические параметры масштабируемых процессов получения ДНС определялись исходя из планируемого производства ДНС в объеме 18,5 т в год и производительности — 100 кг в сутки.

Эти данные позволили рассчитать объем реактора с учетом вспенивания реакционной смеси при перемешивании и увеличения ее объема на 15—20%.

На стадии проектирования установки опытно-промышленного производства ДНС в ОАО «СветлогорскХимволокно» получены дополнительные данные, которые не использовались при проведении лабораторных и масштабированных синтезов, но необходимы для организации промышленного производства.

По результатам выполненного анализа опытной технологии разработана принципиальная схема процесса, пригодного для использования в масштабах опытно-промышленного производства. Совместно с руководством «СветлогорскХимволокно» прошло обсуждение технологической схемы установки по производству ДНС, которая стала основой для проектирования участка по производству ДНС.

На оборудовании предприятия были проведены синтезы пробных партий, которые в целом оказались удачными и подтвердили применимость разработанной технологии. Следующей задачей стала разработка методов аналитического контроля (методика экспресс-анализа состава реакционной смеси в контрольных точках процесса синтеза, методика экспресс-контроля окончания процесса синтеза ДНС и др.) и методов контроля качества продукта (методики определения влажности, содержания (чистоты), стабильности основного вещества) для ЦЗЛ завода.

В ходе разработки технологии синтеза ДНС для аналитического контроля процессов применялись тонкослойная хроматография и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Строение полученных соединений подтверждалось при помощи ЯМР- и ИК-спектроскопии.

Как отметил докладчик, метод тонкослойной хроматографии позволяет проводить быстрый качественный анализ реакционной смеси, сырья, готовой продукции и не требует закупки дорогостоящего оборудования. Однако, применяя этот метод, невозможно получить точные количественные данные о составе анализируемой смеси, поэтому он может быть рекомендован только для экспресс-анализов наличия в реакционной смеси исходных, промежуточных и побочных соединений в процессе синтеза.

— При проведении синтеза желательно использовать быстрые методы контроля протекания реакции и качества продукции, в первую очередь для определения завершения стадий синтеза, — сообщил Юрий Вячеславович. — Нами установлено, что полноту окисления кислородом воздуха промежуточно образующейся 4,4-(гидразо-1,2-диил) дибензойной кислоты можно контролировать, добавляя раствор гипохлорита натрия с содержанием активного хлора 6—7% к фильтрату пробы реакционной смеси.

Но экспресс-методы определяют присутствие значительных (примерно 5%) количеств примесей. Чистоту конечного продукта необходимо характеризовать количественно. Для контроля чистоты ДНС при разработке технологии синтеза на приборной базе НАН Беларуси использовали ЯМР-спектроскопию и ВЭЖХ. Однако применение этих методов в заводских условиях значительно повышает затраты на производство ДНС.

Для определения массовых долей ДНС и свободного гидроксида натрия предложено использовать кислотноосновное титрование с потенциометрической индикацией точки эквивалентности. Диапазон определяемых массовых долей ДНС находится в интервале от 94 до 99%, свободного гидроксида натрия — от 0,3 до 0,6%.

По словам Юрия Матвеенко, на оборудовании ОАО «СветлогорскХимволокно» уже наработаны семь опытных партий ДНС. Опробованы условия проведения синтеза в промышленных масштабах (70—100 кг). Содержание основного продукта увеличилось с 84% в синтезах 1 и 3 до 97—98% в синтезах 6 и 7.

Важно, что часть опытных партий получена без участия сотрудников института. Можно считать, что производство ДНС на предприятии практически освоено. По результатам анализа продукции вносились необходимые корректировки в технологический процесс. Разработаны и опробованы на предприятии методики контроля стадий процесса синтеза и качества конечного продукта, учитывающие скорость, точность и возможность выполнения анализа на оборудовании ЦЗЛ предприятия.

Как отметил докладчик, организация опытно-промышленного производства импортозамещающего УФ-светостабилизатора в объеме 18 т в год позволит ОАО «СветлогорскХимволокно» удовлетворить внутреннюю потребность в ДНС и получать УФ-светостабилизатор, себестоимость которого не превышает цену зарубежного «Модификатора ДНС».

В ходе освоения опытно-промышленного производства предполагается выпустить 12,5 т (2021 год), 16 т (2022 год) и 18,5 т (2023 год) стабилизатора ДНС, который будет использован для получения 995 т волокна и нити арселон на сумму 34 825 тыс. рублей.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ

О них в ходе семинара сообщил к.х.н., заведующий кафедрой нефтегазопереработки и нефтехимии УО «Белорусский государственный технологический университет» (БГТУ) Андрей Юсевич.

Электротермический кипящий слой

Речь шла, в частности, о результатах, полученных при проведении научно-исследовательских работ коллективом авторов — сотрудников Института химии новых материалов, Института тепло- и массообмена НАН Беларуси и кафедры нефтегазопереработки и нефтехимии Белорусского государственного технологического университета.

В одной из работ, выполняемой под руководством члена-корреспондента НАН Беларуси Валентина Бородули, предлагается перспективный метод очистки нефтяного кокса в электротермическом кипящем слое (ЭТКС). Актуальность этой разработки определена тем, что в ОАО «Нафтан» в скором времени введут в эксплуатацию установку замедленного коксования тяжелых нефтяных остатков по технологии Foster Wheeler. Это одна из самых распространенных технологий коксования, рассчитанная на различные виды сырья. При этом будет получаться сырой нефтяной кокс, который по своим качественным характеристикам может быть использован только как топливо для котельных установок. Однако сжигание кокса может оказаться довольно проблематичным, ведь белорусские теплоэлектростанции не приспособлены к работе на твердом топливе.

Традиционно после замедленного коксования нефтяной кокс для улучшения качества прокаливают во вращающихся барабанных печах, используя довольно дорогую и энергозатратную технологию.

— В 2015 году подобный проект, но рассчитанный на мощность по сырому коксу примерно в два раза меньшую, чем в Новополоцке, был реализован в Павлодаре (Казахстан). Стоимость установки составила около 125 млн долларов. При этом следует учесть, что из нашего сырья можно ожидать получения только анодной марки кокса после прокалки. На рынке он будет дороже, чем топливный кокс, но, по-видимому, не настолько, чтобы оправдать затраты на строительство установки прокалки, — отметил докладчик. — Поэтому необходимо рассматривать другие варианты и технологии, позволяющие получать, например, электродный кокс для сталеплавильных печей и другие углеграфитовые материалы.

Что в данном случае предлагают белорусские ученые?

Как уточнил заведующий кафедрой нефтегазопереработки и нефтехимии БГТУ, суть предлагаемого метода очистки нефтяного кокса такова: в кольцевое пространство между двумя графитовыми электродами засыпают дисперсный токопроводящий материал, снизу пускают инертный газ для поддержания частиц во взвешенном состоянии и подают напряжение на электроды. Ток проходит через материал, и за счет электрического сопротивления происходит эффективный быстрый и равномерный прогрев материала до высоких температур — 2—3 тыс. С°. При этом активно образуется фаза графита, что позволяет получать материал со степенью графитизации, близкой к 100%.

В Институте тепло- и массообмена НАН Беларуси на экспериментальной лабораторной установке электротермического кипящего слоя проведен ряд исследований и получены интересные результаты. В частности, наблюдалось быстрое формирование электропроводящей графитовой структуры, что демонстрирует эффективность процесса. А при традиционной многостадийной графитизации стадия обжига длится до 80 суток.

Белорусские ученые работали с разными образцами кокса. Поскольку отечественный в данное время не выпускается, использовался сырой кокс АО «Танеко» (Татарстан, Россия), а также прокаленный кокс ОАО «ЭПМ — Челябинский электродный завод» (Россия). В результате получен высокой чистоты углеродный материал с низким содержанием серы, золы, металлов, летучих веществ.

Среди достоинств предлагаемой технологии — одностадийность получения углеграфитовых материалов с высокой степенью кристалличности из сырого нефтяного кокса, простота масштабирования и возможность организации технологического процесса в непрерывном режиме в отличие от традиционного, где требуется более длительный обжиг. Эта разработка дает возможность среднему и мелкому бизнесу покупать кокс в ОАО «Нафтан» и изготавливать графит для специальных изделий.

— Мы предлагаем простую технологию изготовления нового для рынка углеграфитового материала. По некоторым свойствам он будет являться аналогом игольчатого кокса, дефицит которого наблюдается сегодня во всем мире. При производстве этого материала в промышленных масштабах потребуются значительные объемы электроэнергии, что обеспечит стабильную загрузку мощностей БелАЭС, — сообщил Андрей Юсевич. 

— О полученных результатах проинформирован концерн «Белнефтехим», за уточнением к нам обратилось ОАО «Нафтан». Мы передали накопленную информацию, полученные образцы и предложили провести НИОКР, которая заключается в разработке пилотной установки. Дело в том, что для доведения разработки до уровня промышленной реализации необходимо создать пилотную, непрерывно действующую установку мощностью по сырью до 10 кг/ч. Общий срок выполнения работ составит 12—24 месяца, примерная общая стоимость — 1 млн рублей.

Наноразмерные катализаторы

В ходе доклада заведующий кафедрой БГТУ подробно рассказал еще об одном перспективном направлении научных исследований, проводимом под руководством академика НАН Беларуси Владимира Агабекова.

Как известно, сегодня ОАО «Мозырский НПЗ» реализуется проект по строительству комплекса гидрокрекинга тяжелых нефтяных остатков по технологии H-Oil (лицензиар — компания Axens, Франция). Гидрокрекинг будет осуществляться в реакторе с кипящим слоем микросферического катализатора. В настоящее время в мире эксплуатируется около 10 установок подобного типа. Технология достаточно эффективная, но один из продуктов процесса — остаток гидрокрекинга — по сути — топочный мазут, от которого желательно избавиться.

Просто увеличить жесткость процесса, чтобы повысить степень конверсии и уменьшить выход этого остатка, не представляется возможным. Ведь при достижении определенной степени конверсии асфальтены, которые присутствуют в сырье и вступают в реакции конденсации, теряют свою седиментационную устойчивость и отлагаются на катализаторе, блокируют поры и дезактивируют его. Забивается и теплообменное оборудование. Поэтому лицензиар предлагает сочетать процесс H-Oil с предварительной деасфальтизацией гудрона. Таким образом, компоненты, которые могут давать кокс, предварительно убирают методом сольвентной деасфальтизации, а дальше подготовленное сырье может подвергаться глубокому гидрокрекингу. Однако при этом все равно остается много отходов, с которыми необходимо что-то делать. Например, можно газифицировать с получением водорода. Однако процессы эти недешевые.

Что предлагают в этом случае белорусские ученые? В лаборатории нефтехимических продуктов, которая функционирует на базе Института химии новых материалов НАН Беларуси и Белорусского государственного технологического университета, в данный момент разрабатывается технология гидроконверсии тяжелых нефтяных остатков в присутствии наноразмерных катализаторов. Идея заключается в том, что при уменьшении размера крекирующих катализаторов до сопоставимого с размерами молекул наногетерогенный каталитический процесс по своей эффективности приближается к процессу гомогенного катализа: осуществляется эффективный контакт реагентов с катализатором, исчезает четкая поверхность раздела фаз, на которой может отлагаться кокс, отсутствует носитель. Как следствие — активно идут процессы крекинга и гидрирования, вплоть до высоких степеней конверсии.

Докладчик отметил, что теоретические основы процесса гидроконверсии тяжелого нефтяного сырья с применением наноразмерных катализаторов были заложены в работах Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева Российской академии наук.

В настоящее время разработан способ получения стабильной суспензии ультрадисперсного катализатора. Причем катализатор может вводиться в процесс двумя способами. Либо изначально готовится дисперсия активной формы катализатора, а затем смешивается с сырьем, либо активная форма катализатора генерируется in situ в процессе гидрокрекинга тяжелого нефтяного сырья.

— При проведении гидрокрекинга нефтяного гудрона на лабораторной установке периодического действия было выяснено, что введение наноразмерного катализатора, в данном случае сульфида молибдена, приводит к существенному уменьшению образования кокса, также несколько снижается выход газа. Все это нежелательные продукты крекинга. Интересно, что выход атмосферного дистиллята изменяется незначительно, но увеличивается выход более тяжелой фракции жидких продуктов. Это говорит о том, что сульфид молибдена проявляет скорее гидрирующие свойства, чем крекирующие, и способствует в первую очередь подавлению вторичных реакций, ведущих к образованию газа и продуктов уплотнения. В настоящее время ведутся работы по усилению кислотной, крекирующей функции катализатора, — уточнил докладчик.

По мнению ученых, следующий шаг — это создание непрерывно действующей пилотной установки мощностью до 1 кг/ч. Она будет демонстрировать возможности предлагаемой технологии, на практике убеждать потенциальных инвесторов в эффективности процесса.

— Убежден, что идея применения наноразмерных катализаторов работоспособна и предлагаемый процесс с большой долей вероятности сможет решить проблему переработки тяжелого остатка гидрокрекинга по технологии H-Oil, — подчеркнул Андрей Юсевич. — Для создания пилотной установки мы подали заявку о включении нашего проекта в Государственную программу научных исследований.

 ФОТО Виктория Анискевич-Клопоцкая, Виктор Романцов, предоставлены участниками семинара