Новости

14 апреля, 2021 14:20

Антон Максимов: «При поддержке РНФ нам удалось воплотить мечту любого промышленного химика»

Исследования коллектива ученых под его руководством легли в основу установки стоимостью в 10 миллиардов рублей и договоров о сотрудничестве с лидерами нефтеперерабатывающей отрасли
Антон Максимов, доктор химических наук, член-корреспондент РАН, профессор Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, директор Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН. Источник: Пресс-служба РНФ

В 2017 году РНФ запустил конкурсы Президентской программы исследовательских проектов, в том числе конкурс для лабораторий мирового уровня. По правилам конкурса исследователи должны были найти индустриального партнера, который смог бы софинансировать проект. Победителем стал 31 научный коллектив – представители разных городов и областей науки. В этом году 12 из них выиграли конкурс на продление гранта и получили возможность еще 3 года работать над актуальными задачами, решение которых в результате позволит создать новые энергоэффективные технологии. В число продленных вошел проект Антона Максимова, члена-корреспондента РАН, профессора Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, директора Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН. За 4 года команде Максимова удалось разработать новые высокоэффективные катализаторы для переработки тяжелой нефти и природного газа и вместе с ООО «Газпром нефтехим Салават» и ПАО «Татнефть» добиться рекордной глубины переработки тяжелой нефти - 93% - в топлива и сырье для нефтехимии. Сегодня для масштабного тестирования этой уникальной разработки компания «Татнефть» построила опытно-промышленную установку стоимостью капиталовложений в 10 миллиардов рублей. В то же время исследования ученых по вовлечению полимерных отходов в сырье нефтеперерабатывающих предприятий позволили привлечь компанию ПАО «Сибур», вместе с которой коллектив в дальнейшем продолжит разработки в области утилизации отходов и декарбонизации.

— Сегодня перед нефтехимиками стоит задача добиться максимальной переработки тяжелой нефти и природного газа в полезные продукты – моторное топливо и нефтехимическое сырье. В проекте вы ставили планку в 95%. Почему трудно решить эту задачу, и можно ли добиться большей эффективности?

— Преодолеть порог в 95% фактически нельзя, потому что для переработки углеродсодержащего сырья нужно откуда-то взять энергию, а эти 5%, по сутиб и есть эквивалент этой энергии. Если говорить корректно, реально достижимая степень переработки с учетом энергозатрат на предприятии составляет примерно 92–94%. Конкретные цифры различаются для разных фракций нефти, которые исконно делят по температуре кипения. Первая часть – это то, что выкипает до 350°С и включает в себя бензиновые и керосино-газойлевые фракции. Из них мы путем облагораживания получаем компоненты бензинов, авиакеросинов и дизельных топлив. Выход этих фракций на нефть обычно составляет 40–60%.

При дальнейшей перегонке остатка (мазута) под вакуумом на заводах получают так называемый вакуумный дистиллят. Температура его выкипания соответствует от 350 до 530° С, эту часть нефти подвергают деструктивной переработке с целью получения топлив, для чего используют один из двух процессов. Первый – процесс каталитического крекинга, который был создан в конце 70-х-начале 80-х годов академиком РАН Саламбеком Хаджиевым, учеником которого я являюсь. Второй процесс, который получил широкое распространение на Западе, – это гидрокрекинг вакуумного дистиллята с получением дизельного топлива и керосина.

После перегонки получается остаток, кипящий выше 530° С, который называется гудроном. Если перерабатывается хорошая нефть, например, легкая нефть Сахалина, то дальше вам ничего не нужно делать, поскольку гудрона после ее перегонки просто не остается. Если нефть относительно легкая, например, западно-сибирская, то выход гудрона из этой нефти составит около 20–25%. Если речь идет о тяжелой нефти, а сегодня на рынке складывается ситуация, при которой доля тяжелой нефти в добыче постоянно растет, остатка после первых этапов переработки становится все больше. Возникает вопрос – что делать с этим остатком?

— В рамках проекта вы изучили особенности поведения наноразмерных катализаторов в процессе переработки самой тяжелой части нефти – гудрона – и довели его превращение в топлива и сырье для нефтехимии с выходом в 93%. Расскажите, как этого удалось достичь?

— Я надеюсь, что мы уже фактически создали технологию, которая обеспечивает превращение гудрона в легкую синтетическую нефть. Эта задача стояла перед исследователями с середины 80-х годов прошлого века, и только сейчас мы вплотную подошли к ее решению. В основе нашего подхода лежит катализ в дисперсной фазе.


Источник: Пресс-служба РНФ

Что представляет собой обычный катализ? Мы берем катализатор, помещаем в реактор, начинаем пускать на него сырье и ждем 8, 30, 40 часов, чтобы в результате выяснить, что катализатор перестал работать из-за образования огромного количества кокса. Проблема быстрого падения активности обычных катализаторов связана с очень высоким соотношением углерод/водород в нефтяных остатках и тяжелых нефтях. Чтобы ввести водород в реакцию, нужно проводить эти процессы под очень высоким давлением, что диктует соответствующие требования к оборудованию и персоналу. Конечно, можно перерабатывать гудрон и без катализатора и водорода, однако, тогда получается такое количество кокса, которое просто негде будет использовать. Во-первых, этот кокс содержит много серы, ванадия и тяжелых металлов, поэтому сжигание приведет к загрязнению окружающей среды. Во-вторых, кокс в России, в отличие от США, не используется в цементной промышленности, а значит останется только тратить ресурсы на очищение этих потоков при переработке.

Мы решили подойти к задаче по-другому и создали процесс, который называется гидроконверсией в присутствии наноразмерных катализаторов. Идея проста – молекулы перерабатываемого сырья имеют размер порядка 5–10 нанометров, образуя также агрегаты размером до 100 нанометров. Проникая в поры обычных катализаторов, где происходит превращение, такие агрегаты блокируют их, быстро снижая активность катализатора. Мы задумались – уменьшить размер молекул сырья невозможно, однако, мы можем отказаться от пор и сделать размер частиц катализатора сопоставимым по размеру с агрегатами молекул сырья. В этом случае катализ будет проходить на внешней поверхности катализатора, что исключает его дезактивацию. Мы называем эту концепцию наногетерогенным катализом, катализом в дисперсной фазе или псевдогомогенным катализатором.

Придумав идею, в рамках гранта мы научились синтезировать каталитически активные наночастицы, управлять их активностью, поддерживать их стабильность во времени, выделять из системы и выстроили технологическую схему процесса гидроконверсии.


Источник: Пресс-служба РНФ

Нам удалось воплотить мечту любого химика. Обычно приходится долго и тщательно делать катализатор на заводе и потом везти его на нефтеперерабатывающий завод. Наш катализатор готовится из простых солей, мы умеем формировать его непосредственно в сырье перед реакцией и даже во время реакции. Таким образом если обычный катализатор синтезируют в несколько стадий, причем температура синтеза может достигать 500–800° С, мы синтезируем его из двух реагентов прямо в реакционной смеси при давлении в 70–90 атмосфер.

Катализаторы можно получать и в концентрированном виде на отдельном производстве и уже потом в бочках доставлять на нефтеперерабатывающие заводы. Это избавляет нефтяные компании от необходимости создания установок приготовления катализатора у себя на заводах.

В этой работе есть свои плюсы и свои минусы. Основой минус состоит в том, что обычному промышленному химику воспринять подобную новую концепцию не просто. 

Когда мы представляем статьи по таким дисперсным катализаторам, получаемым in situ, со стороны рецензентов мы часто слышим вопрос: «А как это работает?!»

— Но вам удалось убедить компании в работоспособности своего подхода. Скоро ПАО «Татнефть» запустит опытно-промышленную установку по вашему процессу.

— Да, мы смогли убедить компанию. Они поверили в этот процесс и согласились построить большой завод глубокой переработки гудрона и битумной нефти мощностью 50 тысяч тонн в год, которая, конечно, в связи с такими масштабами не будет окупать себя. Обычно мощность заводов достигает 10–20 миллионов тонн. Летом начнутся гидравлические испытания, а в июне мы надеемся начать полноценную работу. Также мы надеемся, что эта установка в дальнейшем позволит создать установку большей мощности – от 1 миллиона тонн гудрона в год для тиражирования на территории России, Индии, КНР, Ближнего Востока и других нефтеперерабатывающих стран.

Это фантастические инвестиции. Я считаю, что компания «Татнефть» приняла довольно серьезное решение, и у нас есть основания надеяться на успех, потому что мы уже видим, что наши конкуренты в Китае и на Западе делают подобные вещи.


— Подобные установки есть за рубежом?

Есть несколько похожих установок. Например, в Италии стоит промышленная установка по схожей технологии, однако, они используют другие прекурсоры, иначе генерируют катализатор и применяют большее давление. Наш катализатор получается дешевле и проще.

Сейчас в мире идет соревнование, и мы как минимум сейчас все еще не отстаем, а где-то находимся впереди.

— Что мы получаем после переработки гудрона на такой установке?

— На выходе мы получаем легкие фракции, которые могут перерабатываться дальше. Вакуумный газойль, который отправляют на каталитический крекинг или гидрокрекинг, дизельные, бензиновые и керосиновые фракции, который отправляют на соответствующие установки гидроочистки на предприятиях.

На самом деле, этот процесс может использоваться не только для гудрона, но и для любой тяжелой нефти. Вы можете взять тяжелую нефть и начать ее превращать таким образом.

В то же время вы можете заметить, что, пока мы производим топливо из нефти, в Европе, Японии и Америке говорят про электромобили, водородную энергетику и декарбонизацию. Если подхватывать эти тенденции, возникает вопрос – что же делать заводами, которые ориентированы на топливо? Несколько лет назад появилась концепция, согласно которой мы можем уходить от использования нефти для получения топлив за счет ее переработки в нефтехимическую продукцию, стоимость которой, кстати, существенно выше. Если прежде завод производил такую продукцию в объеме, не превышающем 10–15%, то сегодня на некоторых зарубежных заводах выход нефтехимической продукции из нефти достигает 40%, с перспективой увеличения до 90%.

Продолжая исследования по гранту, мы с руководством «Татнефть» договорились, что могли бы перерабатывать по нашей технологии не только гудрон, но и полимерные отходы, добавляя 30% полиэтилена или полипропилена к гудрону. Поэтому одна из целей проекта сейчас – научиться это делать.

На данный момент мы имеем ежегодно около 5–7 миллионов тонн полимерных отходов, при объеме нефтепереработки у нас в стране порядка 300 миллионов тонн в год, то есть вовлечение отходов в нефтепереработку реально. 

Если у нас получится,  что мы задумали, а я надеюсь, что у нас получится, это будет интересный результат, который может изменить отрасль.

— Вместе с другим вашим партнером, компанией «Сибур», вы также планируете перерабатывать полимерные отходы. Какие продукты можно получить на выходе?

— С «Сибуром» мы обсуждаем вопрос переработки полимерных отходов с помощью каталитического крекинга, поскольку «Сибур» очень серьезно настроен на вовлечение части полимеров для получения исходных мономеров – этилена, пропилена.

Вот перед вами лежит обычный полимерный пакет. Вам нужно что-то сделать с ним, иначе при захоронении он распадается  на микропластик, который считается большой опасностью для окружающей среды. Помимо самого полиэтилена в пакете в небольшом количестве присутствуют вредные примеси – азот-, бромсодержащие соединения. При сжигании полимерного мусора мы получим углекислый газ, что плохо. Если вы перерабатываете полиэтилентерефталат, то есть обычную бутылку, вы можете получить из нее вторичную бутылку. А если перерабатываете полиэтилен и полипропилен, такой фокус не пройдет. Поэтому возникает вопрос: нельзя ли его использовать как обычное нефтяное сырье для получения топлив и нефтехимической продукции? Какая разница, перерабатывать гудрон или полиэтилен; и то, и другое – углеродсодержащие соединения. Чтобы эффективно перерабатывать полимерные отходы с меньшими затратами, нужна короткая линейка процессов, которая при этом обеспечит большую эффективность работы. Эту задачу мы и решаем.

— Вместе с «Сибуром» вы сотрудничаете и в другом направлении – разрабатываете технологию монетизации СО2 и природного газа. Расскажите подробнее об этом.

— Компания «Сибур», как и другие ведущие мировые компании, нацелена сегодня на декарбонизацию. Чем мы можем помочь? Мы можем использовать свой предыдущий опыт каталитического превращения оксидов углерода в качественные топлива. Ранее мы научились получать высокооктановый бензин из синтез-газа, содержащего оксид углерода, через оксигенат – диметиловый эфир.


Источник: Пресс-служба РНФ

Задача получения высокооктанового бензина может быть решена несколькими способами: можно увеличить содержание ароматических соединений, что плохо сказывается на других свойствах бензина, или можно сделать ставку на разветвленные углеводороды. Мы научились делать катализаторы для селективного получения одного из таких «высокооктановых» разветвленных углеводородов – триптана, и этими исследованиями заинтересовалась компания «Сибур». Теперь, опираясь на эти наработки, мы будем исследовать процессы получения топлив с низким углеродным следом, по сравнению с нефтяными топливами.

Почему это важно? Сейчас все газохимические технологии начнут упираться в проблему декарбонизации, поскольку они оставляют больший углеродный след, чем технологии переработки нефти. Поэтому мы сконцентрированы на вовлечение СО2 в газохимические процессы для получения не только бензина, но и нефтехимических продуктов – олефинов или ароматических соединений.

— Еще одним вашим партнером является компания «Газпром нефтехим Салават». Какие задачи вы решаете вместе с ними?

— С этой компанией мы разрабатывали процесс окислительного дегидрирования, надеемся, что в течение двух-трех лет на заводе появится установка для получения этилена из этана.

В чем здесь была сложность? Как правило, когда вы превращаете углеводородное сырье в присутствии кислорода, вы смешиваете с ним кислород и пускаете через реактор. Во-первых, смесь углеводородов и кислорода взрывоопасна. Во-вторых, образующийся в реакции целевой продукт из-за высокой концентрации кислорода может окисляться дальше, что сопровождается снижением выхода этого целевого продукта, в данном случае этилена. В-третьих, в реакции используется очищенный кислород, соответственно, его нужно выделять из воздуха. Строительство и обслуживание завода по разделению воздуха – очень дорогое мероприятие. Мы придумали процесс, который называется chemical looping (химическая петля), или процесс с раздельным окислением-восстановлением, который решает эту задачу.

Вместо прямого смешения кислорода и углеводородов, мы сначала окисляем катализатор, который здесь играет роль «переносчика» кислорода, а катализатор уже дальше превращает углеводород. Катализатор постоянно циркулирует в системе, так что мы можем его снова окислять сколько угодно раз. В результате исключается прямой контакт кислорода и углеводорода, достаточно иметь специальные катализаторы, которые мы и создаем.

Сейчас этот принцип мы используем для разных реакций: получение водорода из метана, синтез оксигенатов (например, метанол) и т.д.

— Вы уже четыре года работаете по гранту РНФ. Как Вы оцениваете поддержку Фонда?

— На сегодняшний день поддержка Фонда для российской науки – это один из главных и принципиальных элементов работы всех научных институтов и групп. Это финансирование позволяет получать значимые научные и научно-технические результаты. 

Конечно, стоимость технологий достаточно высока, особенно в отраслях, требующих таких больших инвестиций, как у нас, поэтому полностью покрыть расходы никак не получится, однако, на эти средства можно создать основные элементы технологий, что нам и удается сделать.







Теги
Интервью
2 августа, 2021
Вирусолог Александр Лукашев: «Сколько мышиных жизней стоит одна человеческая?»
Российский научный фонд выступил с инициативой об исследовательской биоэтике, и руководитель рабоч...
23 июля, 2021
Наталия Зиновьева — о национальной генетической коллекции скота и об этической экспертизе
Российский научный фонд выступил с инициативой об исследовательской биоэтике, и руководитель рабоч...