Масштабирование технологий

Масштабирование — одна из важнейших стадий существования любой технологии. Причем остро этот вопрос встает как при создании нового процесса, так и при необходимости или желании оптимизировать уже действующие установки.

В идеальном мире при масштабировании новой технологии необходимо последовательно пройти четыре основные стадии:

1. Лабораторные исследования

На стадии лабораторных исследований будет заложен фундамент будущего процесса и установлены основные закономерности его проведения.

2. Пилотные испытания и исходные данные на проектирование

Стадия пилотных или опытно-промышленных испытаний отвечает на главный вопрос: а масштабируема ли технология в принципе? При успешном проведении пилотных испытаний разрабатываются исходные данные на проектирование промышленной установки.

3. Проект

Исходные данные передаются проектным институтам, которые разрабатывают проект завода.

4. Строительство и эксплуатации установки

На основе этого проекта строится и вводится в эксплуатацию промышленная установка.

Так что же могло пойти не так в этой цепочке?

К сожалению, в последние 15-20 лет наши проектировщики стали забывать, как выглядят Исходные данные на проектирование, разработанные нашими, российскими инжиниринговыми компаниями на основе наработок отечественной науки. Связано это с засильем технологического рынка мощными зарубежными лицензиарами, при наличии которых промышленности просто не было необходимости поддерживать прямую связь между наукой и своим производством. Гораздо проще заплатить некую сумму зарубежной компании. Эта компания предоставит готовый базовый проект технологии, переводом и адаптацией которого к российским нормам будет заниматься проектный институт.

В нынешней политической ситуации, когда большинство крупнейших лицензиаров уже покинули или покидают российский рынок, перед промышленностью «неожиданно» встал вопрос не столько о создании новых производств, сколько о нормальной эксплуатации уже действующих установок. На поверку оказалось, что выстроенная годами модель взаимодействия с зарубежными лицензиарами и отрыва от собственной науки и инжиниринга привели промышленность фактически в тупик развития.

Сколько еще проработает поставленный зарубежной фирмой катализатор? Что делать после того, как он достигнет своего ресурса? Можно ли заменить закупаемое ранее зарубежом сырье на альтернативное отечественное и как это повлияет на качество конечной товарной продукции?

Теоретически, на часть из этих вопросов можно ответить методами математического моделирования. Но, с одной стороны, в большинстве случаев модели базируются на эмпирических данных. С другой стороны, никакая теоретическая модель не сможет однозначно ответить на вопрос о необходимой конструкции реактора, влияния микропримесей на срок жизни катализатора и качество продукта, не позволит подобрать оптимальные параметры процессов без должной практической верификации. Здесь важно сделать акцент именно на верификации, чтобы не сложилось впечатление о неработоспособности моделей в принципе. Конечно, они работают, но лучший способ что-то проверить – проверить на практике с минимальными рисками.

В этой ситуации на помощь приходят инжиниринговые компании и пилотные установки, позволяющие получить экспериментальные данные, которые либо лягут в основу математической модели, либо помогут верифицировать ее и в конечном счете получить исчерпывающую информацию для разработки исходных данных для проектирования.

Приведу несколько примеров из собственного опыта, когда качественная организация стадии пилотных испытаний уже помогли или помогут избежать больших финансовых потерь в будущем.

Одним из наших основных проектов является разработка технологии переработки смешанных пластиковых отходов. Процесс проводится в несколько стадий и масштабируется также последовательно. Первая стадия процесса успешно прошла путь масштабирования от пробирки до промышленной установки и сейчас наша установка успешно эксплуатируется в США. В ходе второй стадии предполагалось повысить качество товарной продукции и для этого также требовалось провести масштабирование по вышеупомянутой цепочке лаборатория-пилот-производство. Провели лабораторные исследования и установили, как тогда казалось, оптимальный набор катализаторов и параметры процесса. Стадией испытаний на пилотной установке решили пренебречь в угоду существенного сокращения сроков реализации проекта. Сразу же были разработаны исходные данные на проектирование и рабочая документация на строительство большой установки.

Хорошо, что в ходе разработки документации возникли вопросы об адекватности исходных данных и всё-таки решили провести пилотные испытания. Они показали, что часть выбранных катализаторов в условиях реального сырья может эксплуатироваться всего лишь около трех или пяти часов, после чего они дезактивируются. Начали искать причину и оказалось, что реальное сырье содержит в себе компоненты и примеси, которые не были учтены в ходе лабораторных испытаний на модельных смесях. В итоге, после нескольких сотен часов пробегов на пилотной установке были разработаны катализаторы, способные нормально работать с реальным сырьем. Да, пришлось переработать схему и частично аппаратурное оформление процесса. Но если бы не пилотные испытания – построенная по ошибочным исходным данным большая установка просто бы не заработала, что в лучшем случае привело бы к потерям десятков миллионов долларов.

Другой пример – когда к нам пришли представители одной из крупных нефтеперерабатывающих компаний с запросом – можем ли мы в нашем процессе заменить компонент А на компонент Б и какие от этого могут быть последствия. Мы провели испытания на собственной пилотной установке и на примере реального сырья показали, что такая замена не рекомендована по ряду причин. Если попробовать решить эту же задачу в рамках опытных пробегов на заводской установке, финансовые и временные потери от такого эксперимента были бы катастрофическими. В нашем случае на это ушла неделя испытаний, 100 грамм катализатора и 50 литров сырья. Я думаю, разница очевидна.

Третий наглядный пример – это необходимость производства заменить эксплуатируемый сейчас катализатор ушедшей с российского рынка компании на доступный альтернативный. Очевидно, когда речь идет о крупнотоннажных установках производительностью сотни тысяч тонн в год и объемом катализатора в реакторах в несколько десятков кубов, просто заменить один катализатор на другой без дополнительных исследований невозможно. Задача усложняется, когда сырье содержит большое число нестабильных реакционноспособных компонентов, и такое сырьё не может хранится более нескольких часов без серьезного изменения свойств. Решением является пилотная установка, которая может быть размещена прямо на производстве и подключена непосредственно к трубопроводам с реальным сырьем. Сейчас мы работаем с одной из крупнейших отечественных нефтехимических компаний над созданием такой установки.

Подводя итоги, хотелось бы еще раз заострить внимание на важности совместного развития и плотного взаимодействия в цепочке наука-инжиниринг-проектирование-производство.

Наука является первоисточником, фундаментом и двигателем отрасли, без которой невозможна работа инженеров. Инжиниринг подхватывает наработки, проверяет и масштабирует их, выдавая исходные данные на проектирование. Проектировщики адаптируют и разрабатывают документацию для строительства установки. Промышленность и производство растут и обеспечивают потребности страны в товарной продукции.