Инновационный потенциал каталитических технологий

В настоящее время до 30% материальной составляющей ВВП в промышленно развитых странах связано с производством и применением продукции, получаемой с помощью каталитических технологий. В качестве примера можно назвать моторные топлива (бензин, дизельное и реактивное топливо); полимерные материалы; минеральные удобрения и средства защиты растений; лекарства; продукты питания, нейтрализаторы выхлопных газов автомобилей и многое, многое другое. В России вклад каталитических технологий в материальную часть ВВП тоже значителен, но не превышает 10%. Такое различие роли каталитических технологий в промышленном производстве развитых стран и России свидетельствует об огромной потенциальной инновационной востребованности этих технологий в отечественном химическом и нефтехимическом комплексе.

Директор Института катализа академик Валентин Николаевич Пармон

Где скрыт этот потенциал? Для России начала XXI века характерны прочные ведущие позиции на мировом рынке энергоносителей, прежде всего нефти и природного газа. При этом существенно, что промышленно развитой части мира Россия интересна именно в качестве «энергетического» донора. Тем не менее неоспоримая краткосрочная экономическая привлекательность торговли сырой нефтью и природным газом не имеет права превратиться в долгосрочную стратегию России. Это обусловлено не только ограниченностью ресурсов нефти и газа, но и, что существенно более серьезно для поступательного развития страны, необходимостью развития намного более устойчивых высокотехнологических отраслей перерабатывающей промышленности, и прежде всего той, что базируется на отечественном углеводородном сырье.

Нет сомнения в том, что основная доля зарубежных инвестиций в Россию была и будет ориентирована только на увеличение экспорта углеводородного сырья, а не его глубокую переработку. Таким образом, развитие технологий глубокой переработки сырья и производство наукоемкой продукции являются и остаются в будущем чисто внутренними задачами России.

Пилотные испытания новых каталитических процессов проходят в отделении, которое возглавляет В.Н. Коротких

Например, в настоящее время в России не находят квалифицированного использования попутные газы нефтегазодобычи, состоящие из широкой гаммы легких углеводородов. Ежегодно в промысловых факелах бесцельно сжигается не менее 9 млрд куб. м (около 9 млн т) попутных газов, что эквивалентно потере 150 млрд руб./год. Квалифицированная переработка этих газов на базе уже освоенных отечественных каталитических технологий на предприятиях РАО «Газпром» и входящих в его структуру ОАО «СИБУР Холдинг» и ОАО «Сибнефть» позволит не только обеспечить высокотехнологическим сырьем нефтехимический комплекс России, но и существенно повысить товарность экспортируемой продукции. Одновременно это предотвратит ежегодный выброс в атмосферу более 20 млн т углекислого газа, что существенно облегчит решение проблемы выполнения Россией Киотского Протокола по снижению выбросов в атмосферу углекислого газа.

Научный сотрудник Е.М. Славинская за испытаниями нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей

Проблема утилизации попутных нефтяных газов, которые в больших объемах извлекаются вместе с добываемой нефтью, особенно остра для северных месторождений, которые отдалены от нефтехимических комбинатов. Главная сложность здесь заключается в том, что такой нефтяной газ нельзя транспортировать вместе с обычным природным газом (метаном) по стандартным газопроводам — при смешивании метана с компонентами попутных газов в холодное время года в трубопроводной системе образуются пробки, которые закупоривают трубу. Перевозить же попутные газы другими способами очень дорого.

Освоение любого крупного нефтегазового месторождения в Сибири приводит к появлению источника газовых выбросов с объемом до 0,5 млн т в год. До сих пор у проблемы было два решения: либо выделить пригодный к транспортировке газ, а остаток закачать под землю, используя его для увеличения газоотдачи пластов, либо просто сжечь. Многие нефтедобывающие компании в России чаще предпочитают второе решение.

Институт катализа СО РАН уже сейчас предлагает новую, но уже неплохо отработанную технологию переработки попутных газов в жидкие углеводороды прямо на месторождениях. Если бы в России весь попутный нефтяной газ удалось переводить с помощью этой технологии в жидкость, то нефтехимические заводы могли бы получать ежегодно по 5–6 млн т дополнительного сырья. Для такой переработки используются наноструктурированные цеолитсодержащие катализаторы, на поверхности и в порах нанометрового размера которых протекают химические реакции превращения попутного газа в ценные жидкие продукты. В июле 2006 года в Краснодарском крае на опытном заводе ОАО «НИПИГазпереработка» года пройдут представительные испытания установки, созданной по технологии Института катализа СО РАН и позволяющей продемонстрировать в опытно-промышленном масштабе технологию переработки попутных нефтяных газов в жидкие продукты (бензол, толуол, ксилол) — дефицитное сырье для нефтехимии.

Разработка нового термического оборудования для получения катализаторов

По оценке Института, установка для переработки 60 000 куб. м газа в сутки (20 млн куб. м в год) может стоить $10–12 млн. Если пересчитывать стоимость производимой ею продукции даже по цене сырой нефти, получается окупаемость менее чем за 1,5 года. К концу 2006 года на Новосибирском заводе химконцентратов (входит в концерн «ТВЭЛ» Росатома) будет запущено производство мощностью 150 тонн в год катализаторов, используемых для обсуждаемой технологии переработки. Такой объем производства катализаторов способен обеспечить переработку половины сжигаемых попутных газов России.

Институт катализа активно сотрудничает с российскими химическими предприятиями и по совершенствованию уже производимых промышленных катализаторов. Например, базовыми катализаторами для одной из крупнейших компаний России — ОАО «СИБУР Холдинг» — являются катализаторы дегидрирования. В производстве этих катализаторов Институт катализа нашел эффективного партнера в лице ОАО «Алтайская краевая расчетная палата» — собственника химического производства в г. Яровое Алтайского края. Производственные возможности и квалификация персонала позволяют надеяться на дальнейшее развитие и формирование в Яровом современного высокотехнологичного комплекса по производству широкого спектра катализаторов.

Недавно с помощью новых отечественных катализаторов в России удалось освоить производство нового полимерного материала — сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Молекулярная масса (а она зависит от числа атомов в одной молекуле полимера) сверхвысокомолекулярного полиэтилена достигает 10 млн. Благодаря такому огромному размеру молекул СВМПЭ обладает большой механической прочностью и высокой ударной вязкостью. Прочность нитей из СВМПЭ примерно в два раза больше, чем у известного кевлара. Это позволяет применять СВМПЭ, например, в системах бронезащиты, а в гражданской сфере — для защиты любых рабочих поверхностей, например, кузовов большегрузных автомобилей. Новый полимерный материал устойчив к химическим воздействиям и сохраняет свои свойства в условиях экстремальных температур, так что может работать в самых сложных условиях: в якутских морозах, в коррозионных средах и даже в космосе. Благодаря высокому коэффициенту скольжения материала его можно применять для создания скользящих поверхностей. Например, на основе СВМПЭ можно на каждом пляже построить каток для катания на коньках в разгар жаркого сибирского лета.

Уже сейчас на ОАО «Томскнефтехим» работает опытная установка по производству около 300 тонн СВМПЭ в год. Установка создана самим нефтехимическим комбинатом совместно с Институтом катализа. В ближайшее время планируется довести мощность установки до 500 т/год. На базе полученного опыта отработана технология, которая позволяет строить промышленные установки мощностью в десятки тысяч тонн СВМПЭ в год. Простые экономические оценки показывают, что реализация данного проекта по производству СВМПЭ позволит начиная с 2008 года получать продукцию на сумму свыше 4 млрд рублей в год.

Создание производства СВМПЭ было бы невозможно без разработки особого катализатора, который позволяет миллионам атомов объединяться в единую гигантскую молекулу полимера. При этом катализатора, т. е. вещества, обеспечивающего возможность полимеризации, много не нужно: для производства 500 тонн СВМПЭ требуется всего 20–40 кг катализатора. Все права на катализатор принадлежат Институту катализа, наработка таких количеств катализатора осуществляется пока на собственном опытном производстве Института. В будущем производством катализатора может заняться «Томскнефтехим»; опыт подобного взаимодействия мы уже имеем. Так, 25 лет назад на комбинате было запущено первое в СССР производство полипропилена. Сначала этот полимер нарабатывался на катализаторах, изготовленных по итальянской технологии; эти катализаторы не позволяли комбинату выйти на плановую мощность. Однако через несколько лет Институт катализа разработал специально для предприятия новый, более качественный и экономичный катализатор, который позволил наполовину увеличить производительность оборудования и в разы снизить выход побочного продукта. Данный катализатор, микросферический треххлористый титан, впоследствии выпускался по лицензии Института и широко использовался за рубежом до начала XXI века.

Сверхвысокая молекулярная масса СВМПЭ, определяющая его уникальные физико-механические свойства, одновременно усложняет переработку этого полимера, получаемого в ходе каталитического процесса в форме тонкого порошка. Так, высокая вязкость расплава СВМПЭ не позволяет использовать традиционные для термопластов и эффективные методы переработки. Например, для прессования (спекания под давлением) порошка СВМПЭ в изделие нужной формы требуются часы. Конечно, такие изделия получаются дорогими. Поэтому, если принять стоимость некоторого количества СВМПЭ в форме порошка за единицу, то пленка из него будет стоить уже 10 единиц, а более сложное изделие подорожает еще на порядок. Поэтому технологии переработки СВМПЭ необходимо развивать, иначе России придется торговать порошком уникального полимера, теряя при этом большие возможности, а значит, и большие деньги. Разработкой технологий переработки СВМПЭ сейчас занимается большая группа научно-технического профиля организаций в Новосибирске, Томске, Красноярске, Твери. Мы полагаем, что спрос на СВМПЭ в России будет стремительно возрастать, и он будет находить все новые и новые сферы применения.

Технически сложны, многостадийны, энергоемки и сопровождаются большим количеством вредных стоков и отходов многие процессы производства витаминов и органических (карбоновых) кислот. Институт катализа сейчас готов предложить две новые ресурсо- и энергосберегающие технологии получения никотиновой кислоты (витамина РР) и муравьиной кислоты.

Никотиновая кислота относится к витаминам группы В3 и применяется как противопеллагрический препарат (витамин PP — Pellagra — Preventive). Известно, что никотиновая кислота (НК) и ее производная никотинамид (НА) являются составной частью жизненно необходимых коферментов, которые «ответственны» за преобразование углеводов в энергию. В настоящее время НК и НА применяют для лечения шизофрении, диабета, аутоиммунных и холестерин-связанных заболеваний, а также для приготовления различных косметических средств. Техническую НК широко используют в сельском хозяйстве как регулятор роста растений и в качестве премиксов для домашней птицы. Поскольку человеческий организм не производит ни НК, ни НА, то их поступление в организм происходит в результате потребления продуктов питания. Хотя в природе НК находится в связанной форме в пшенице, дрожжах, свинине и печени говядины, основная часть товарной НК сегодня производится искусственно. Мировое производство НК — около 35 тыс. тонн в год.

В Институте катализа была разработана новая, не имеющая аналогов в мире каталитическая технология получения никотиновой кислоты методом одностадийного гетерогенно-каталитического окисления не очень сложного вещества — пиколина (БП) кислородом воздуха в присутствии высокоселективного оксидного ванадий-титанового катализатора. Новая технология позволяет осуществлять процесс окисления БП в реакторе трубчатого типа. При этом при температурах 270–280°С происходит полное превращение БП в НК. Процесс отличается высоким, до 80%, полезным выходом НК. НК осаждается в кристаллизаторе, а небольшое количество побочных органических продуктов обезвреживается в каталитическом нейтрализаторе. Новая технология проста и эффективна, обходится без образования сточных вод и токсичных газовых выбросов. После перекристаллизации технического продукта из водного раствора чистота НК соответствует фармакопейным требованиям. Капитальные затраты по новому методу в несколько раз ниже, чем в альтернативных схемах. Технология получения НК опробована на опытной установке ОАО «Химпласт» (г. Новосибирск) производительностью 200 тонн в год, что позволяет сейчас нам предложить эту технологию всем заинтересованным промышленным предприятиям.

Муравьиная кислота (МК) является самой экологически чистой кислотой и широко применяется в кожевенных и текстильных производствах для обработки кож и тканей, в химической и фармацевтической промышленности для контроля кислотности процессов, в сельском хозяйстве для консервирования кормов, а также в производстве пентаэритрита, в целлюлозно-бумажной промышленности и т. п.

Традиционные крупные производства МК основаны на использовании метода гидролиза метилового эфира МК. Тем не менее технологическая сложность традиционного метода и связанные с ней высокие удельные расходы обуславливают экономическую целесообразность создания исключительно крупнотоннажных производств, как правило, удаленных от потребителя.

Институт катализа разработал новую экологически чистую технологию синтеза МК прямым окислением формальдегида на оксидном катализаторе. Конечным продуктом по данной технологии является 50–55% водный раствор МК. Процесс осуществляется в трубчатом реакторе на ванадий-титановом катализаторе при температурах 110–125°С. В реакторе формальдегид селективно окисляется в МК с выходом 83%. Реакционные газы после реактора поступают в двухступенчатый конденсатор муравьиной кислоты, а затем направляются в каталитический дожигатель на обезвреживание от следов формальдегида, муравьиной кислоты и оксида углерода.

Новый процесс синтеза МК успешно опробован на нескольких пилотных установках, сейчас к нему проявляют большой интерес отечественные и зарубежные предприятия по выделке кож и меховых изделий.

По сравнению с традиционными технологиями у новых технологий получения НК и МК в наличии большой ряд преимуществ:

* простая и надежная технологическая схема с минимальным количеством стадий;

* полная экологическая безопасность, отсутствие сточных вод, твердых отходов и вредных газовых выбросов;

* низкая себестоимость конечного продукта;

* низкие удельные капитальные вложения и короткие сроки их окупаемости;

* возможность создания небольших производств в непосредственной близости от потребителя на ограниченных производственных площадях;

* высокое качество продуктов.

В настоящее время достигнутый Институтом уровень научно-технологической проработки этих процессов позволяет предлагать химическим заводам техническую документацию в объеме, достаточном для создания современных производств.

Помимо каталитических технологий, созданных в интересах крупнотоннажных химических производств, Институт катализа довел до уровня пилотных образцов ряд новых каталитических технологий и для массового применения. В качестве примера таких технологий можно назвать фотокаталитическое обеззараживание воздуха, реализуемое в компактных установках.

Фотокаталитический способ обеспечивает принципиально новые возможности очистки и обеззараживания воздуха от практически любых химических загрязнителей. Фотокаталитическая очистка не требует наличия повышенной температуры в зоне реакции и использования жесткого ультрафиолетового излучения, вызывающего образование необходимого для дезинфекции ядовитого газа озона. Активность фотокатализатора при низкой температуре связана с постоянной генерацией под действием мягкого ультрафиолетового света очень химически активных частиц на поверхности фотокатализатора. Следует отметить, что фотокаталитический способ является единственным способом очистки воздуха, который при комнатной температуре эффективен по отношению как к молекулярным, так и к биологическим загрязнителям.

Фотокаталитические технологии имеют широкую область применений. Наибольшее значение имеют очистка, дезодорирование и дезинфекция воздушной среды обитания человека, дезинфекция и дезодорирование систем хранения продуктов.

Эффективная коммерциализация фотокаталитических очистителей-обеззараживателей возможна при ориентации производителей таких устройств на приоритетные направления обеспечения здоровья и комфортности среды обитания населения. Известны ужасающе большие объемы убытков, вызываемых ежегодными эпидемиями гриппа и ОРЗ. Потенциально опасной является эпидемия птичьего гриппа. В то же время установка фотокаталитических обеззараживателей воздуха в общественных местах позволила бы эффективно ограничить аэрозольные пути передачи возбудителей заболеваний. Такие обеззараживатели были бы особенно полезны в лечебных учреждениях, детских садах, общественном транспорте, общественных зданиях. Сильное загрязнение воздуха в крупных городах России также обусловливает потребность в новых эффективных очистителях воздуха. Только по Москве наблюдается острый текущий дефицит в эффективных и недорогих очистителях воздуха российского производства в размере примерно 10 тыс. изделий в месяц. По России в целом текущая потребность в фотокаталитических очистителях воздуха российского производства для бытовых, офисных, лечебных, производственных помещений, холодильного оборудования оценивается в 200 тыс. изделий в год, что в стоимостном выражении составляет около 1 млрд руб. в год.

Особое значение может иметь использование фотокаталитических обеззараживателей в бытовых и промышленных холодильниках. Использование таких обеззараживателей не только устраняет запахи, но и в разы увеличивает срок безопасного хранения продуктов за счет уничтожения микробов. Применение фотокаталитических технологий в овощехранилищах позволит резко сократить потери продуктов при их длительном хранении.

В настоящее время на основе разработок Института катализа освоен массовый выпуск фотокаталитических обеззараживателей воздуха бытового применения на трех предприятиях России, в том числе на НПО «Луч» (г. Новосибирск). Такие обеззараживатели уже широко применяют в офисах, бытовых и лечебных помещениях. Другие перспективные сферы применения фотокаталитических технологий пока еще открыты для инвесторов и производителей.

Совершенно неожиданным является применение каталитических и сорбционных технологий для сушки сельскохозяйственной продукции и биологических препаратов.

Наиболее распространенные в настоящее время термические методы сушки основаны на использовании достаточно высоких температур, что зачастую приводит к разрушению исходного химического и биологического субстрата, частичной или полной потере пищевой ценности или фармакологического действия этого субстрата. Более того, если подогрев подаваемого в сушилку воздуха осуществляется топочными устройствами прямого нагрева (наиболее дешевый способ), то осушающий агент (подогретый воздух) является по сути смесью атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива в устройствах, экологические показатели которых далеки от совершенства. Это приводит к контакту осушаемого субстрата материала с токсичными и нередко канцерогенными продуктами неполного сгорания (монооксид углерода, сажа, альдегиды, бенз(а)пирены), что также отражается на качестве получаемого продукта. Решение многих задач качественной сушки возможно в случае применения адсорбционно-каталитической сушки, основанной на прямом контакте, например, сельскохозяйственной продукции с твердым осушителем — нанопористым адсорбентом. При таком контакте влага с высокой скоростью переходит в тонкие капилляры адсорбента даже при комнатной температуре. После такого процесса сушки адсорбент отделяют от продуктов и регенерируют при необходимой температуре. Энергозатраты на описываемый вид сушки оказываются примерно в пять раз меньше, чем в традиционных методах сушки.

Потребность в агрегатах адсорбционно-контактной сушки для производства только биологически-активных препаратов оценивается в 1000 шт. Эта потребность обусловлена тем, что до 50% себестоимости таких препаратов составляют затраты на сушку или удаление растворителей-предшественников. Замена используемой на сегодняшний день термической сушки технологией адсорбционно-контактной сушки позволит в 5–7 раз сократить энергозатраты и не менее чем в 10 раз — затраты времени на производство единицы продукции. Это приведет к снижению ее себестоимости в 2–3 раза, а для сельскохозяйственной продукции за счет лучшей сохранности продовольственного и фуражного запаса и повышенной всхожести семенного фонда можно ожидать еще большего выигрыша. Сейчас речь должна идти о создании широкого типоразмерного ряда установок адсорбционно-контактной сушки различной типовой производительности и назначения. На наш взгляд, такие установки обладают высокой коммерческой привлекательностью как для производителей, так и для потребителей самой разнообразной биологической продукции — фермеров, заводов по переработке сельхозпродукции, производств биологически активных фармацевтических препаратов.

Подводя краткие итоги, можно сказать, что каталитические и сорбционные технологии находят все более широкое применение — от огромных заводов до каждой российской семьи.

Институт катализа был организован в 1958 году в составе Сибирского отделения Академии наук СССР. Создателем и первым директором Института вплоть до 1984 года являлся академик Георгий Константинович Боресков, выдающийся ученый в области катализа и химических технологий, крупный организатор науки. В 1992 году Институту было присвоено его имя.

В 1984–1995 годах Институт возглавлял академик Кирилл Ильич Замараев, выдающийся российский ученый физико-химик, талантливый педагог и организатор науки.

Начиная с 1995 года Институтом руководит академик Валентин Николаевич Пармон.

В 1969 году за успехи в развитии науки и подготовке высококвалифицированных кадров Институт катализа награжден орденом Трудового Красного знамени. В 1980 году за вклад в международное сотрудничество Институт удостоен международной премии «Золотой Меркурий». С 1994 по 1998 годы в соответствии с постановлением правительства Российской Федерации Институт катализа имел статус Государственного научного центра РФ.

Сегодня Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН является одним из крупнейших в мире научно-исследовательских центров в области катализа. Институт имеет филиалы в гг. Санкт-Петербурге и Волгограде. Персонал Института насчитывает около 1000 человек, в том числе более 350 научных сотрудников.

Область работ Института простирается от решения задач фундаментального характера в области катализа до создания новых катализаторов, каталитических технологий и опытно-промышленного производства катализаторов.

В соответствии с Уставом ИК СО РАН основной целью Института является выполнение фундаментальных научных исследований и прикладных разработок по следующим основным направлениям:

* научные основы катализа и создание высокоэффективных, селективных катализаторов и каталитических систем;

* создание единой теории гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа; предвидение каталитического действия;

* разработка теории и научных основ приготовления катализаторов;

* исследования в области кинетики каталитических процессов;

* разработка теоретических основ химических технологий;

* разработка катализаторов и каталитических процессов для новых областей применения.

К основным видам деятельности Института можно отнести:

* научную (научно-исследовательскую) деятельность, направленную на получение и применение новых знаний;

* научно-техническую, направленную на получение и применение новых знаний для решения технологических, инженерных проблем;

* научно-учебную деятельность по подготовке высококвалифицированных кадров;

* инновационную деятельность, направленную на внедрение новых идей, научных знаний, технологий и видов продукции в различные области производства;

* деятельность по инфраструктурному обеспечению, в том числе информационному, метрологическому, материально-техническому и прочему обеспечению основной деятельности.

Основными направлениями научной деятельности Института являются установление общих физико-химических закономерностей катализа, создание научных основ молекулярного дизайна веществ и материалов, разработка теоретических основ осуществления каталитических процессов, создание нового поколения высокоэффективных катализаторов для базовых химических, нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, а также создание катализаторов и технологий для новых областей применения. Фундаментальные исследования направлены прежде всего на решение вопросов предвидения каталитического действия, разработку технологического базиса для приготовления и производства катализаторов, а также на разработку и оптимизацию каталитических процессов. Среди фундаментальных исследований Института можно выделить:

* исследование явления катализа на атомно-молекулярном уровне;

* исследование природы активных центров катализаторов и механизмов ключевых каталитических реакций;

* исследование структуры катализаторов и механизмов их формирования;

* кинетические исследования и математическое моделирование каталитических процессов.

Лаборатории института оснащены уникальным научным оборудованием, позволяющим проводить всестороннее исследование химического состава и свойств катализаторов, изучать механизмы каталитических реакций и создавать новые эффективные катализаторы для различных отраслей химической промышленности.

Прикладные исследования в Институте катализа ведутся в рамках важнейших федеральных программ государственного значения и направлены на решение конкретных практически важных задач. Институт является постоянным участником крупных международных и российских проектов, имеет партнерские отношения с большим количеством фирм и заводов в России и за рубежом. Институтом созданы и освоены в различных областях промышленности более 50 катализаторов и каталитических технологий. Разработки Института часто отмечались высокими наградами и дипломами на престижных форумах и выставках.

Ежегодно из стен Института выходит более 300 публикаций в высокорейтинговых научных изданиях, более 30 патентов. За пять последних лет Институтом получено 180 охранных документов на территории России и поддерживаются 30 зарубежных патентов.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ