Четыре года назад с этой темы был начат курс «блоготерапии», а хорош ли доктор, решат пациенты.
Радиационная химия (РХ), как новая область знаний, появилась в 50-х годах прошлого столетия для изучения изменения свойств веществ (различных материалов, топлив, металлов и сплавов) под воздействием радиоактивного излучения, вызванного ядерным взрывом. Результаты этих работ, как правило, закрыты, но в процессе изучения стало понятно, что при радиоактивном излучении многие вещества приобретают принципиально новые свойства.
С начала 60-х годов предпринимаются попытки (и в отдельных областях весьма успешные) по применению радиоактивного излучения в практических целях. По всему миру работают десятки производств, использующих радиацию для стерилизации медицинских инструментов и материалов, модификации полимеров, вулканизации, очистки газов и промышленных стоков.
Советский Союз до 1986 года занимал передовые позиции в мире как по радиационно-химической науке, так и по радиационным технологиям. Но Чернобыль, а впоследствии и распад СССР смешал все планы и любые гражданские работы в этом направлении фактически прекратились.
Кадровый потенциал специалистов РХ (только в СССР готовили узких специалистов для этой отрасли промышленности) оказался не востребован в России, но чрезвычайно востребован в мире. И сегодня выходцы из СССР задают мировой вектор развития РХ технологий, что достаточно детально зафиксировано в отчетах Министерства энергетики США (см., например, «Accelerators for America» Symposium and Workshop Chairs, June 2010 и далее в 2012, 2013 и 2015 годах).
Приведу несколько примеров:
- работы по глубокой переработке темных нефтяных остатков (гудронов) с использованием радиационных технологий проведены в США и Канаде компанией «Petrobeam», инициаторами работ являлись выходцы из Казахстана, сотрудники Алма-Атинского института ядерной физики (ИЯФ). Положительные результаты были получены на пилотных установках с использованием в качестве сырья тяжелых битуминозных нефтей с API менее 12, а также гудронов провинции Алберта.
работы по переработке газов в формате R-GTL, проводимые в странах Залива c использованием электронного пучка – это новое увлечение, которое принесли на крыльях надежды группы исследователей, имевших отношение к «Petrobeam», а также их коллеги из институтов ядерной физики бывших союзных республик (Казахстан, Узбекистан). Вопрос остается без ответа. В России результаты этих исследований не так давно появились в открытой печати. И надо сказать, что они более чем обнадёживающие. Для реализации технологии R-GTL, прежде всего, необходим соответствующий электронный ускоритель. А это know-how, которым владеют только две компании в мире. Работы перешагнули стадию пилотных испытаний в отношении получения олефинов из легких углеводородов С1-С2, но будут ли они продолжены?
- работы по радиационному синтезу вязкостных присадок для моторных масел (непосредственно в масле) ведутся в Израиле и Австралии, выходцами из Электрогорского филиала института нефтепереработки (лаборатория №4).
Огромное, буквально колоссальное количество информации в виде презентаций, отчетов, статей и т. д. можно найти и в русскоязычной зоне интернета, например, тут. И в ряде случаев остается только удивляться мощи и открытости всемирной сети:
- ТАИФ-НК в течение трех лет проводила исследования в ИЯФ СОАН (Новосибирск) по радиационно-химическому модифицирования сырья висбрекинга, результаты были неплохие, но продолжения не последовало;
- «Башнефть» совместно с «НИТФА» (ранее «ВНИИ радиационной техники», основанный в 1960 году) рассматривала технические предложения по использованию R-GTL на базе Туймазинского и Шкаповского ГПЗ;
Список можно продолжать и продолжать, но только пользы от этого нет, например «НИТФА» презентовал свои взгляды на РХ-технологии во всех без исключения нефтяных компаниях, а также на многих крупных НПЗ – результата нет.
Собственно говоря, а почему же его нет? Или поставим вопрос иначе: почему он, собственно говоря, должен быть?
Вот смотрите. Совет Министров СССР своим распоряжением № 5887-р от 28 сентября 1956 г. постановил создать при Московском нефтяном институте им. И.М. Губкина комплекс лабораторий по применению ядерных излучений в нефтяной промышленности. В состав этого комплекса вошла Проблемная лаборатория по применению радиоактивных излучений к процессам переработки нефти и газа, созданная при кафедре физической и коллоидной химии. В 1960 г. по решению Министерства высшего образования СССР в МИНХ и ГП на кафедре Физической и коллоидной химии была открыта специальность «Радиационная химия». Кафедра стала выпускающей, а большая часть дипломных работ касался использования ионизирующего излучения в крупнотоннажных процессах изомеризации, крекинга, полимеризации и т.д.
Принципиальное отличие нынешних РХ-технологий от технологий двадцатилетней давности заключается в использовании в качестве источника излучения промышленных компактных ускорителей: включил электричество – есть излучение, выключил – нет. Конечно, в отличие от постоянных источников излучения (нестабильный кобальт) промышленные ускорители - более безопасный и надежный источник инициирования. На сегодняшний день российские «ускорителестроители» входят в число признанных мировых лидеров в этой области, что также отмечается в отчетах Министерства энергетики США. Но и это не помогло создать хотя бы один крупнотоннажный РХ-процесс в нефтепереработке или нефтехимии.
Частенько причину неудач ищут в отсутствии заинтересованного инвестора для этих тематик. Это возможно, но давайте посмотрим на Сколково, где создана целая платформа «Ядертех», а «основным приоритетом в работе было и остается увеличение числа качественных стартапов и их акселерация со значительным приростом выручки».
И последний козырь, который мы достанем из рукава, это расчет экономики. Крупнотоннажный РХ-процесс в нефтепереработке или нефтехимии показывает сногсшибательную эффективность: даже борьба с коррупцией иногда оказываются менее рентабельными бизнесом, ну или сопоставимыми по меньшей мере.
Я не страдаю гипертрофированным патриотизмом в отношении моей родной специальности «Радиационная химия», но меня всегда очень интересовало, каким же образом за 60 лет в крупнотоннажных процессах ничего не прижилось, да и честно говоря, не приживется.
Причина, как мне кажется, довольно проста, но для ее понимания потребовался практический опыт инженера-технолога и довольно значительный промежуток времени. ПРОЦЕСС НЕ МАСШТАБИРУЕТСЯ. Насколько идеален материальный баланс радиационно-термического крекинга или радиационно-химической изомеризации фракции н.к-62°С или даже н.к-105°С в лабораторных условиях, именно настолько же он не реализуем в масштабе минимальных промышленных мощностей. Аналогичное утверждение действенно и для процессов полимеризации олефинов: в лаборатории и на пилотах все идеально, а при переходе к мощности хотя бы 50 тыс. т/год все летит к чертям собачьим. Фантастические результаты по переработке газов в формате R-GTL в рамках эксперимента разлетаются в пыль на промышленных установках.
Почему же так происходит? Не будем размазывать теорию по страницам, если сам процесс понятен, то и объяснять все очень просто. Глубина проникновения электронов от ускорителя в реакционную массу не превышает одного сантиметра. А с учетом разделительной мембраны, которая отделяет реакционную секцию от ускорителя, то гораздо меньше сантиметра. Короче говоря, чтобы процесс шел, поток субстратов должен иметь толщину, равную глубине проникновения электронов. Представляете? Размазать 100 тыс. т/год по потоку глубиной 1 см и шириной не более 1 метра (это растр электронного пучка). Иными словами, или скорость потока должна быть сумасшедшая, или этих потоков должно быть много, а значит много и ускорителей. Сюда добавить, что если процесс под давлением, то и мембрана должна быть потолще, следовательно, поток будет еще тоньше. Заколдованный круг.
С гамма-установками этот вопрос стоял менее остро, так как стрежни с радиоактивным кобальтом-60 могли иметь любую прочность, и при их расположении в реакторе в форме «беличьего колеса» реакционный поток может иметь классический профиль. Но гамма это гамма, требуется нешуточная защита и строгая безопасность, т. е. опять заколдованный круг.
Однако, не все потеряно господа! И на улице РХ будет праздник, и он не за горами, а если быть еще более точным, то он уже пришел! Рассказываю. Существует множество полимеров, имеющих особо узкую область применения, глобальная потребность в которых определяется количествами в пределах 1000 т/год и даже меньше. Получение полимеров этого класса относятся к Performance Technologies, классические методы синтеза достаточно трудоемкие, операционные затраты достаточно высоки и, соответственно, они имеют чрезвычайно высокую стоимость при классических способах производства. Что особенно важно: радиационное инициирование позволяет достигать таких молекулярных масс полимеров, какие традиционными способами достичь или просто невозможно, или возможно только при значительных затратах. В настоящее время наметилось и активно реализуется несколько направлений:
- радиационный синтез полимеров акриловых и метакриловых эфиров тяжёлых спиртов С12 – С17, как нормального, так и изостроения;
- радиационный синтез сополимеров акрилонитрила с бимодальным молекулярно-массовым распределением, что является основой ПАН-прекурсоров для углеродных волокон ультра высокого качества;
- радиационный синтез полимеров, например, полиметилметилметакрилатов, полиизобутилена, полистиролов, полиакрилатов непосредственно в базовой среде, где данный полимер используется в качестве присадок, загустителей, регуляторов и т. д.
И тут напрашивается вполне логичное следствие: раз с крупнотоннажным «простыми» полимерами, а уж тем более с инженерными в России получается как-то не очень (ну нету здесь фундаментальных конкурентных преимуществ, чтобы кто ни говорил про сырьевой потенциал – он съедается отсутствием локального рынка, дорогой логистикой «на выход», и неумением строить дешево и быстро), почему бы не попробовать себя в тех полимерных областях, где основа стоимости – знания.