Инновационные разработки ученых ПГУ для нефтегазовой отрасли

О том, какие инновационные разработки предлагают нефтегазовой отрасли ученые Полоцкого государственного университета, рассказывает доцент кафедры химической техники и охраны труда ПГУ, кандидат технических наук Юлия БУЛАВКА.

Перспективное развитие химической промышленности в значительной степени связано с выпуском малотоннажных продуктов. В странах экономического авангарда их производство превалирует над добычей и первичной переработкой сырья. Учитывая то, что наша страна импортирует огромный объем такой продукции, очевидно, что отечественную «малотоннажку» необходимо развивать. И делать это следует на базе существующих и вновь создаваемых предприятий с использованием новых наукоемких технологий. К числу малотоннажной продукции относятся:

• ✓ синтетические красители,
• ✓ текстильно-вспомогательные вещества,
• ✓ химикаты-добавки, реактивы,
• ✓ катализаторы,
• ✓ присадки к топливам и маслам,
• ✓ биохимические препараты,
• ✓ консерванты,
• ✓ ингибиторы коррозии.

Их определяющим признаком являются высокая степень наукоемкости, экономическая результативность и широкая сфера применения при сравнительно небольших масштабах производства. Причем экономический эффект при потреблении соизмерим с эффектом, получаемым крупнотоннажным производством. В этой связи очень важно расширять линейку малотоннажной химии, используя в том числе и продукты из отходов крупнотоннажных химических производств. В поле зрения ученых Полоцкого государственного университета попал, к примеру, низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) — продукт, сопутствующий изготовлению полиэтилена высокого давления. На заводе «Полимир» ОАО «Нафтан» этот процесс проводится в реакторах автоклавного и трубчатого типов, НМПЭ отделяется при сепарации возвратного газа (этилена). Объем производства составляет около 100 т в год.

— Получается, что в некоторых случаях достаточно адаптировать уже имеющиеся технологии для получения нового продукта или использовать известный продукт с целью расширения области применения?

— Как раз при всей своей важности и доходности малотоннажные производства отличаются тем, что не требуют много времени и больших капитальных затрат для запуска. Мы досконально изучили низкомолекулярный полиэтилен и выявили, что он состоит из смеси насыщенных углеводородов, имеет высокую температуру вспышки — выше 250 ºС и низкую зольность — менее 0,1% масс. Средняя молярная масса находится в пределах 1—5 тыс. г/моль, бимодальное молекулярно-массовое распределение — в интервале от 50 до 5 250. НМПЭ является аморфно-кристаллическим веществом, общее содержание СН₃-групп примерно втрое превышает их количество в полиэтилене высокого давления и составляет 4—8 единиц на 100 атомов углерода. Значительная часть приходится на боковые ответвления, среди которых большую долю составляют этильные и бутильные радикалы. НМПЭ устойчив к воздействию воды, солей, некоторых кислот и щелочей. При температуре более 80 ºС он растворим в алифатических и ароматических углеводородах, мало подвержен действию атмосферных факторов, обладает высокой адгезией к бумаге, дереву, металлу, керамике.

— То есть рассмотренные свойства указывают на перспективность применения низкомолекулярного полиэтилена для получения нефтяных композиций различного назначения?

— Мы выяснили, что свойства НМПЭ в зависимости от технологических параметров процесса полимеризации этилена и применяемых инициаторов могут изменяться в довольно широких пределах. И в этой связи поиск путей его рационального использования является актуальной задачей. НМПЭ желательно применять в небольших количествах в качестве добавки с целью модификации свойств каких-либо продуктов и без предварительного фракционирования. Одно из направлений использования — депрессорная присадка при получении товарного печного топлива. Выполненные нами исследования показали, что оптимальная концентрация низкомолекулярного полиэтилена, полученного в реакторах автоклавного типа на заводе «Полимир», с температурой каплепадения 75 ºС для вовлечения в печное топливо составляет 0,05—0,3% масс. с депрессией температуры застывания 20—40 ºС. При этом для получения печного бытового топлива с нормируемой температурой застывания не выше 15 ºС достаточно вовлекать 0,05% масс. НМПЭ. По депрессорной эффективности он не уступает специально синтезированным импортным присадкам. В дизельное топливо такую присадку добавлять не рекомендуется, поскольку ухудшается коэффициент фильтруемости, однако для печных топлив такого ограничения нет.

— Какие еще возможные направления использования низкомолекулярного полиэтилена могут быть рекомендованы?

— Перспективно производство комбинированной добавки для модификации свойств дорожных битумов, состоящей из низкомолекулярного полиэтилена и фракции выкипающей выше 230 ºС тяжелой смолы пиролиза, взятых в массовом соотношении 2:1. Это направление крайне актуально, так как с 1 мая 2017 года на территории нашей страны в качестве государственного стандарта Республики Беларусь на нефтяные дорожные вяжущие введен ГОСТ 33133-2014. По сравнению с предыдущим СТБ EN 12591-2010 он существенно повышает требования к традиционным параметрам качества дорожного битума. Ужесточаются параметры температуры размягчения (минимальный порог, например, у марки БНД 70/100 должен быть выше на 4 ºС, температура хрупкости — на 8 ºС ниже), изменения свойств битума после старения и другие важные показатели. Все это требует от нефтеперерабатывающих заводов технического перевооружения и модернизации действующих производств с целью выпуска дорожного битума, соответствующего требованиям нового ГОСТа. При этом производство битумов, в отличие от светлых нефтепродуктов, практически не приносит прибыли НПЗ, и подобные модернизации будут нерентабельны. Модификация битума марки БНД 70/100 комбинированной добавкой с НМПЭ в количестве 1% масс. приводит к увеличению температуры размягчения битума на 2,5% и, как следствие, его теплостойкости. Пенетрация и растяжимость возрастают на 31,1 и 4,8% соответственно, что сопровождается снижением твердости битума. Увеличение его растяжимости позволяет прогнозировать повышение эластичных и склеивающих свойств. Индекс пенетрации, характеризующий термическую чувствительность битумных вяжущих, соответствует требованиям современного ГОСТ 33133-2014.

Дисперсная структура модифицированного битума такой добавкой наиболее приближена к типу золь-гель, оптимальному с точки зрения требуемого качества. Температура хрупкости снижается на 4—6 ºС, следовательно, дорожное покрытие будет лучше работать в условиях сурового климата и плохой погоды. Увеличение интервала пластичности при вовлечении 1% масс. комбинированной добавки указывает на ее пластифицирующее действие на структуру битума.

Таким образом, совместное влияние компонентов комбинированной добавки на структуру битума позволяет значительно повысить его прочность и теплостойкость при повышенных температурах, а также пластичность, эластичность, трещиностойкость, улучшить адгезию к поверхности минеральных материалов, что позволяет прогнозировать высокое качество дорожного покрытия. При этом предлагаемая 1-процентная комбинированная добавка, полученная из одной части пека тяжелой смолы пиролиза и двух частей НМПЭ, может эффективно использоваться для доведения основных показателей качества дорожного битума до требований современных стандартов.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее о самом процессе

— Исследования показали, что данный материал также стоек к действию коррозионно- и химически агрессивных сред, а также к атмосферному старению. С учетом этих свойств нами синтезированы образцы смазочных композиций на основе НМПЭ, полученного в реакторах автоклавного типа на заводе «Полимир» с температурой плавления около 90 ºС и массовой долей летучих веществ не более 0,06% масс. В качестве смягчителей для снижения вязкости композиций использованы различные по свойствам дисперсионные среды, произведенные в ОАО  «Нафтан»: депарафинированное масло, вакуумные дистилляты, остаточный продукт с установки мягкого гидрокрекинга, остаток гидрокрекинга с установки «Юникрекинг», дистиллятный и остаточный экстракты с установки селективной очистки фенолом. Для изготовления смазочных композиций на основе НМПЭ взвешивались необходимые компоненты смазки из расчета на общую массу готовой продукции — 100 г. НМПЭ медленно расплавляли и обезвоживали при температуре 95—105 ºС до состояния однородного расплава, затем при перемешивании добавляли необходимое количество дисперсионной среды. После этого отключали нагрев и при включенной мешалке смесь охлаждали на воздухе до 40—50 ºС. Затем ее переплавляли при 100 ºС в течение трех часов для удаления остаточных пероксидов — инициаторов полимеризации этилена, далее при интенсивном перемешивании снова охлаждали до 40 ºС. Смазочные композиции устойчивы к расслоению, однако для них характерен период созревания структуры до 10—15 дней, в течение которых постепенно повышается вязкость. При этом макромолекулы связываются в ассоциаты под воздействием кислорода и достигается равновесная коллоидная структура исследуемых образцов.

— Существуют ли аналоги синтезированных вами составов?

— Современными инструментальными методами анализа установлено, что синтезированные смазочные композиции на основе НМПЭ по физико-химическим и эксплуатационным свойствам имеют сходства с существующими промышленно выпускаемыми углеводородными консистентными смазками — антифрикционной химически стойкой ЦИАТИМ-205 (ГОСТ 8551), консервационными ГОИ-54п (ГОСТ 3276) и ПВК (ГОСТ 19537), также похожи на канатные и вакуумную смазки. Определены основные эксплуатационные показатели, оцениваемые для консистентных смазок. Результаты анализа и требования к ним приведены в таблице, из которой следует, что по большинству показателей синтезированные смазки на основе НМПЭ с остаточными продуктами гидрокрекинга низкого и высокого давления сходны с антифрикционной химически стойкой ЦИАТИМ-205; замешанные с вакуумным дистиллятом четверного погона — с морозостойкой смазкой ГОИ-54п, а композиции с дистиллятным и остаточными экстрактами по свойствам аналогичны консервационной смазке ПВК. Верхний температурный предел применения смазок на основе НМПЭ находится в рамках 50—60 ºС, для чего концентрация дисперсионной среды должна составлять не более 30% масс. При испытании данных смазок на морозостойкость после 5 часов выдержки при минус 60 ºС не обнаружено трещин и отслаивания от поверхности пластинок, не выявлена хрупкость — смазки оставались пластичными и липкими. Анализ химической стойкости, оцениваемой по ГОСТ 21068-75, показал, что в течение 30 суток образцы, погруженные в 10-процентные водные растворы соляной и серной кислот, щелочи и соли, не подвержены изменению массы и внешнего вида (отсутствуют трещины, вздутия, отслоения).

Введение в рецептуру консервационных и канатных смазок высокоароматизированных экстрактов фенольной очистки масел придает им высокую защитную и адгезионную способности. Использование остатков гидрокрекинга приводит к снижению токсичности и канцерогенности смазок, увеличению их химической стойкости к агрессивным средам.

Сравнение химмотологических характеристик показало, что по комплексу физико-химических и эксплуатационных свойств синтезированные смазки на основе НМПЭ отвечают требованиям, предъявляемым к антифрикционным и консервационным смазкам типа ЦИАТИМ-205, ГОИ-54п и ПВК, однако исходные компоненты для их приготовления дешевле, чем у промышленно производимых смазок. Выпуск смазочных композиций с использованием сырья неквалифицированного применения позволит расширить ассортимент пластичных смазок, снизить нагрузку на окружающую среду и получить экономический эффект.

— Отрадно и то, что данные исследования — студенческий научный вклад в развитие производства…

— Безусловно. Нам крайне приятно констатировать, что все исследования выполнялись студентами, обучающимися по специальности «химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», в рамках студенческого научного общества кафедры химии и технологии переработки нефти и газа Полоцкого государственного университета. В данном направлении на протяжении нескольких лет работали Юлия Петровская, Елизавета Сычёва, Виктория Сыцевич, Оксана Василевская, Валерия Ширабордина, Ольга Шкиреева. Выполнение комплексных научных исследований в области нефтепереработки и нефтехимии стало возможным благодаря обновлению научно-технической базы нашего университета, что является несомненной заслугой заведующего кафедрой химии и технологии переработки нефти и газа Ирины Бурой и ректора Дмитрия Лазовского. Результаты исследований студенческого научного общества ежегодно представляются на международных и республиканских конкурсах и конференциях.

Студенты всегда с особым интересам посещают московские конференции «Нефть и газ», «Нефтегазовые горизонты» и другие, что является дополнительным стимулом к получению значимого научного результата.

Подобные работы накладывают отпечаток и на дальнейшее трудоустройство — многие студенты в последующем занимают инженерно-технические и руководящие должности на предприятиях отрасли. Ирина ЕМЕЛЬЯНОВИЧ