Приручение парафинов. Новая технология переработки нефти принесет пользу и экономике, и природе.

— Основные составляющие нефти и вырабатываемых из нее нефтепродуктов — это углеводороды трех групп: парафиновые, нафтеновые и ароматические, — рассказывает Елена Николаевна. — Улучшить низкотемпературные свойства нефтепродуктов удается с помощью депарафинизации — удаления нормальных парафинов из керосиновых, дизельных и масляных фракций. Это очень важные технологии. 

Жидкие парафины, извлеченные из средних дистиллятов нефти, — ценное сырье для получения основных составляющих любого синтетического моющего средства (СМС), например линейных алкилбензолов (ЛАБ), алкилбензолсульфонатов (ЛАБС), алкилбензолсульфоновой кислоты (ЛАБСК). 

Есть три способа извлечения жидких парафинов из нефтепродуктов. Первый — карбамидная депарафинизация. Это старая, морально и физически устаревшая технология. Главный недостаток — низкая селективность извлечения. Второй способ — адсорбционный, с помощью цеолитов (молекулярных сит). Проблема этого эффективного метода — в быстрой дезактивации цеолитов, требующей частой их замены. Наиболее перспективная технология, позволяющая получать низкозастывающие сорта дизельного топлива, — каталитическая гидродепарафинизация. Парафины не извлекаются, а химически преобразуются в углеводороды разветвленного строения или более короткоцепочечные. Но проблема для России в том, что требуются зарубежные катализаторы.

— Надеюсь. Но вначале хотелось бы обратить внимание на то, что эффективность использования ресурсов сырья и катализаторов в многостадийных комплексных технологиях, определяется, прежде всего, составом перерабатываемого сырья — различных фракций нефти, а также условиями эксплуатации катализаторов, которые обеспечивают низкую скорость побочных реакций.

Мы занимаемся внедрением и активным использованием в многостадийной комплексной технологии математических моделей. Эти модели учитывают физико-химические закономерности промышленных процессов, они чувствительны к изменению состава сырья и активности применяемых катализаторов. Подобных моделей еще не было. Поэтому не было и возможности создавать оптимальные режимы работы промышленных установок для производства продукции нужного качества. 

Ресурсоэффективная технология переработки парафинов позволяет, используя программно-реализованные математические модели, провести расчет оптимальных параметров для работы всей цепочки промышленных аппаратов с учетом изменения состава сырья и свойств катализаторов. Благодаря таким моделям мы сможем решить ряд важнейших прикладных задач: оптимальное распределение сырья между каталитическими установками, эффективное получение компонентов СМС, низкозастывающих сортов дизельного топлива. Кроме того, увеличение ресурса использования дорогостоящих импортных катализаторов при переработке сырья неблагоприятного состава — одна из приоритетных научно-прикладных задач современной нефтепереработки и нефтехимии.

Выход и качество ЛАБС и ЛАБСК также определяются составом перерабатываемой смеси углеводородов. При неблагоприятном химическом составе сырья ухудшаются биоразлагаемость и цвет готовых СМС. Оптимальное регулирование технологическими параметрами работы реакторов для получения полуфабрикатов СМС при изменении состава перерабатываемого сырья позволит решить одну из важнейших экологических проблем нефтехимии — улучшение качества сточных вод предприятий и бытовых стоков, загрязненных соединениями с низкой биохимической разлагаемостью.

— Мы разрабатываем новую ресурсоэффективную технологию гидропереработки дизельной фракции нефти в компоненты малосернистого низкозастывающего дизельного топлива и полуфабрикаты синтетических моющих средств — алкилбензосульфоновую кислоту и линейные алкилбензолсульфонаты, через стадию дегидрирования н-парафинов. При ее создании используем новые математические модели каталитических процессов в промышленных реакторах, совмещенных с процессами фракционирования сырья. Эти модели описывают кинетику и гидродинамику промышленных процессов, учитывают реакционную способность парафиновых углеводородов и активность катализаторов.

Для создания научных основ новой ресурсоэффективной технологии нам предстоит провести экспериментальные (лабораторные и производственные) и численные (математическое моделирование, вычислительный эксперимент) исследования. Надо проделать колоссальную работу по сбору и анализу данных с промышленного предприятия, эксперименты по изучению влияния состава сырья на выход и качество нефтепродуктов, исследование процессов дезактивации катализаторов, а также по разработке новых математических моделей реакторных каталитических процессов и их испытаниям в промышленности.

Необходимо, чтобы наш математический аппарат предсказывал эффективные режимы эксплуатации промышленных установок комплексного производства. Эти модели затем используют для оптимального распределения сырья между установками и расчета перспективных режимов эксплуатации катализаторов. Научные основы ресурсоэффективной технологии — это синтез натурного и вычислительного экспериментов, метода математического моделирования и стратегии системного анализа.

Над созданием новой технологии переработки парафинов трудится целый коллектив. Исследования проводятся в рамках ведущей научной школы, возглавляемой профессором Эмилией Дмитриевной Иванчиной (школа поддержана грантами Президента РФ в 2014 и 2016 годах). Вместе со мной в проекте участвуют три кандидата наук, три аспиранта, пять студентов кафедры химической технологии топлива и химической кибернетики. 

Эмилия Дмитриевна, как научный руководитель нашего большого исследовательского направления, обеспечивает взаимодействие и связь с промышленными объектами — нефтеперерабатывающими заводами (НПЗ) в Северо-Западном и Сибирском федеральных округах. Экспериментальные и численные исследования ведут студенты и аспиранты под моим непосредственным руководством. В нашем коллективе есть грамотный программист, который помогает реализовывать разработанные математические модели в виде специальных прикладных программ для того, чтобы обеспечивать их апробацию и внедрение на НПЗ. Для использования математических моделей в автоматических системах управления технологическими процессами заводов необходимо выполнить программную реализацию алгоритмов решения сложной системы дифференциальных уравнений модели. Нужно также разработать интерфейс, удобный для использования как разработчиками продукта, так и технологами нефтеперерабатывающих заводов (что намного важнее), а также подключить разработанный программный продукт к базе данных предприятия для его работы в режиме онлайн. Модели оптимизации должны быть максимально доступны любому пользователю, поэтому нужно исключить любые возможные сложности со сбором исходных данных, необходимых для проведения расчетов. Это отдельный, очень непростой этап работы, который предстоит выполнить.

— Исследования по нашему направлению мы ведем давно. В частности, определили оптимальные режимы подачи воды в промышленный реактор одной из первых стадий переработки извлеченных парафинов, что увеличило срок службы катализатора на 20%. Разработанная в 2005-2012 годах математическая модель химико-технологической системы производства ЛАБ позволила провести анализ влияния большой группы факторов на интенсивность побочных реакций в процессе переработки парафинов и экологические свойства поверхностно-активных веществ на основе этих алкилбензолов. 

Для того чтобы определить оптимальные (с точки зрения увеличения срока службы катализатора) условия проведения промышленных процессов производства ЛАБ, мы сделали специальные расчеты. Для этого использовали математическую модель разных технологических режимов промышленной установки. Благодаря научным результатам разработали теоретические основы технологии производства экологически безопасных поверхностно-активных веществ с продленным сроком службы катализатора.

Мы также исследовали другие процессы гидропереработки, близкие по теоретическим основам и составу перерабатываемого сырья — дизельной фракции нефти, это, например, каталитическая гидродепарафинизация. Кроме того, исследуем завершающие стадии технологии — процессы алкилирования и сульфирования, отличающиеся сложным составом получаемых продуктов и сложной гидродинамикой реакторов.

— Наша технология снизит себестоимость готовой продукции при сохранении ее высокого качества (низкозастывающего дизельного топлива и синтетических моющих средств), а также уменьшит зависимость российских производителей синтетических моющих средств от импортных полуфабрикатов. Внедрение рекомендаций на российских предприятиях увеличит ресурс работы не имеющих отечественных аналогов катализаторов для переработки извлеченных парафинов. Оптимальное регулирование технологическими параметрами работы реакторов алкилирования и сульфирования при изменении состава перерабатываемого сырья позволит решить одну из важнейших экологических проблем, связанную с высоким содержанием побочных продуктов. Эти продукты ухудшают биохимическую разлагаемость полуфабрикатов синтетических моющих средств, полученных при переработке парафиновых углеводородов дизельной фракции нефти.

Математические модели можно будет использовать в качестве компьютерных тренажеров технологического персонала нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, для отработки действий в случае возникновения нештатных ситуаций на производстве. Основные результаты проекта будут использованы в образовательных курсах Томского политехнического университета при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по нескольким химико-технологическим направлениям.