Подход к катализаторам промышленных процессов в России зачастую сводится к двум крайностям: либо к покупке готовых и дорогих решений за границей, либо к использованию традиционных, получаемых в основном еще по советским разработкам, катализаторов. Разумеется, есть исключения: существуют катализаторы, по которым позиции отечественных поставщиков достаточно сильны, однако речь пойдет не о них.

Как писал RUPEC, план импортозамещения, разработанный Минэнерго, предполагает замещение к 2020 году большей части катализаторов в нефтехимии и нефтепереработке. Так, импорт катализаторов гидроочистки, сейчас превышающий 90%, планируется снизить до 45% к указанному сроку. Аналогичный показатель импортозамещения ожидается по группе катализаторов гидрокрекинга. Потребность в зарубежных катализаторах каткрекинга и каталитического риформинга, которая министерством оценивалась в 2015 году в 65 и 60% соответственно, предполагается свести к 25%.

Есть основания полагать, что по наиболее крупнотоннажным процессам в нефтепереработке, таким как каталитический крекинг или гидроочистка, локализация полного цикла производства катализатора вполне обоснована из-за высокого внутреннего потребления. В то же время существует ряд вторичных процессов, мощности которых сравнительно невелики и создание под них полной цепочки производства катализаторов может оказаться нерентабельным. Однако получение катализаторов – многостадийный процесс, и начать его локализовывать/импортозамещать можно на любой стадии.

Проиллюстрируем данный тезис на примере производства цеолитных катализаторов. Цеолиты – это кристаллические пористые алюмосиликаты (определение нестрогое, изначально цеолиты - минералы, на данный момент титаносиликаты, алюмофосфаты и ряд других структур также относят к цеолитам). Они применяются как адсорбенты и катализаторы во многих процессах нефтепереработки и нефтехимии (каталитическом крекинге, алкилировании, изомеризации, карбонилировании и других). Условно производство цеолитных катализаторов можно поделить на несколько стадий.

Первая стадия – это синтез активного компонента, т.е. собственно цеолита. Затем следуют различные типы обработки полученного цеолита для "донастройки" его свойств под конкретный процесс, к примеру, с помощью ионного обмена или обработки кислотами/щелочами. На третьей стадии происходит формование активного компонента со связующим с последующей сушкой и отжигом для получения гранул катализатора. В зависимости от того, для какого процесса будет использоваться катализатор, после формирования гранул может потребоваться дополнительная обработка: введение дополнительных компонентов, термопаровая обработка и т.д.

Несмотря на то что цеолитных структур существует великое множество, в каталитических процессах в промышленности применяется лишь порядка 10 видов. Но даже цеолиты одной структуры могут существенно различаться размером частиц, кислотностью и пр., что регулируется как в процессе синтеза, так и последующими обработками. В мире только несколько компаний производят широкую номенклатуру цеолитов (первая стадия) высокого качества. При этом фирм-поставщиков катализаторов значительно больше.

Никакого секрета здесь нет. Многие производители катализаторов не выпускают свои цеолиты, а закупают их на рынке, реализуя у себя различные стадии последующей обработки. Иными словами, вполне рабочей является схема с покупкой базовых компонентов: цеолита (например, Zeolyst) и связующего (например, Sasol) с последующим созданием из них катализаторов под конкретные процессы. Из приблизительно одних и тех же компонентов можно создать катализаторы для разных реакций, так например из пары цеолит MFI (ZSM-5) + связующее (бемит - AlOOH) с помощью процессов вторичной обработки можно получить катализатор диспропорционирования, алкилирования, ароматизации и не только.

Таким образом, даже не обладая ни оборудованием, ни технологией для синтеза цеолита с заданными свойствами, можно с помощью, грубо говоря, "ведра, смесителя, экструдера и печки" на базе закупаемого сырья получать свои катализаторы.

Посмотрим в качестве примера на катализатор диспропорционирования толуола в бензол и смесь ксилолов. Диспропорционирование – одна из типовых операций в составе большинства комплексов по производству ароматических углеводородов. Основной задачей в этом процессе является увеличение выхода параксилола и, соответственно, снижение выходов мета- и ортоксилолов.

Получение катализатора идет постадийно, как было описано выше: синтез цеолита, отжиг, ионный обмен, формование со связующим, гранулирование, отжиг. После всех манипуляций катализатор сможет работать, но потребуется дополнительная обработка для улучшения его показателей.

Активный компонент катализатора – это цеолит, обычно MFI (ZSM-5), либо MOR (морденит). При одинаковых условиях протекания процесса при использовании морденита производительность будет выше, но ниже селективность по параксилолу. Поэтому первое, что необходимо сделать для увеличения выхода параизомера, – это выбрать катализатор на базе MFI. Донастройкой условий протекания процесса можно в какой-то мере увеличить выход параксилола, но значительно нарастить его не удастся, для этого потребуется "вмешательство" на стадии создания катализатора.

Углубляться в химию процесса не станем, так как на вопрос, в чем причина получения разного количества ксилолов на разных цеолитах, наука ответила порядка 40 лет назад - дело в разных размерах этих молекул. Несмотря на то что речь идет о сотых долях нанометра, на такую величину можно снизить диаметр входов в поры цеолита MFI, так чтобы молекулы параксилола могли выходить из пор, орто- и мета – нет (не имея возможности покинуть поры, они будут изомеризоваться до параксилола). Как этого достичь?

К примеру, добиться желаемого результата можно обработкой катализатора в определенных условиях тэтраэтоксисиланом, либо тем же толуолом (процесс закоксовывания) Есть и другие способы. Если перейти к сухим цифрам, то данные действия позволяют без существенного падения производительности увеличить селективность по параксилолу до 90%.

Разумеется, выше приведен лишь принцип "каталитического решения". За кадром остались детали. Важно то, что данная разработка не является чем-то недостижимым, она вполне под силу компетентным исследователям. На схожем каталитическом решении построен процесс PxMax от ExxonMobil.

Получается, что у вариантов создания всей цепочки производства катализатора или покупки готового варианта есть несколько опций. Первая – приобретение только гранул катализатора из сформованного со связующим цеолита, под них же разрабатывается метод постобработки. НИОКР в данном случае должен дать обоснование выбора метода вторичной обработки и оптимизацию его условий. Вторая альтернатива – покупка цеолита и связующего, далее - по схеме. Тогда НИОКР должен дать данные для масштабирования процедуры формования. Второй вариант, конечно, сложнее, но потенциально более перспективен. Что будет выгоднее, необходимо прорабатывать отдельно для каждого случая.

Не стоит забывать, что разработка может идти и с конца - с постепенной локализацией отдельных стадий. Это упрощает задачу и позволяет в широких пределах влиять на параметры катализатора. Некоторые компании на этом и построили свой бизнес. Кроме того, постепенная локализация создает рынок потребления для базовых компонентов.

Вероятно, производство катализаторов из ввозимого сырья не может считаться в полной мере импортозамещением. Но если провести аналогию с локализацией производства автомобилей – там операции обработки, как окраска или сварка деталей, учитываются как элемент импортозамещения. Почему бы не применить данный принцип и в катализаторах для нефтепереработки и нефтехимии?

RUPEC в Telegram