Пермская сверхкритическая экстракция

В России накапливается от 3,5 до 8,5 млн тонн пластикового мусора в год, а к 2025 году, согласно прогнозам, таких отходов будет образовываться в два раза больше. Процесс вторичной переработки остается низкорентабельным, а первичное сырье — легкодоступным и дешевым, поэтому удается переработать только от 5 до 12% пластика. Но поскольку экономика подходит к производству замкнутого цикла, возникает потребность в новых технологиях, которые можно внедрить в существующие промышленные цепочки.

В настоящее время применяется несколько методов переработки. Механический — дробление пластикового мусора на мелкие гранулы, биологический — компостирование, химический — разрушение отходов с помощью управляемых реакций и термический — сжигание бытового мусора. Из-за жесткой конкуренции и доступности первичного сырья компании используют наиболее дешевые методы —высокопроизводительные, но при этом вредные для окружающей среды.

В России пластиковые отходы для последующего получения вторичных гранул в основном просто сжигают — ежегодно свыше 500 млн тонн. Открытое горение материала приводит к образованию углекислого газа и токсичных соединений. При этом сильно загрязненные отходы переработать таким способом нельзя, и 15% неизбежно отправляется на выброс. Более того, до 20% изделий из таких гранул не могут быть повторно переработаны из-за сильного падения качества.

Устаревшие технологические решения не отвечают требованиям экологической безопасности и значительно дороже зарубежных аналогов. Кроме того, для них требуются большие производственные площадки и сотрудники должны вручную сортировать грязные отходы.

Топливо из пластика

Установка пермских исследователей способна перерабатывать более ста видов промышленных отходов, наиболее приоритетные из них — пластик, нефтешламы и другие загрязненные/отработанные нефтепродукты, сточные воды и различные опасные отходы. Аналогичные существующие разработки могут перерабатывать лишь пять-десять видов однотипных отходов. Среди похожих установок в России есть только лабораторные, непригодные для масштабирования под промышленные задачи, а производство в Китае дороже в два-три раза и не имеет местных ресурсов для ремонта и обслуживания.

В последнее время растет потребность в долгосрочных решениях, которые эффективно справятся с промышленными отходами и минимизируют риски для бизнеса. Это связано с тем, что крупным предприятиям важно соответствовать требованиям экологической безопасности. К ним относится не только утилизация промышленных отходов, но и, согласно утвержденной доктрине президента России, переход на производство замкнутого цикла и достижение углеродной нейтральности к 2060 году.

«В основе нашей технологии лежит методика сверхкритической экстракции, — рассказал “Стимулу” один из авторов разработки, аспирант-ассистент кафедры автоматики и телемеханики, резидент бизнес-инкубатора “Динамика роста” ПНИПУ Глеб Иванов. — С этой областью связано множество отечественных и зарубежных патентов, описывающих как режимы работы с определенным сырьем, так и технологию для воплощения “в железе”. Наиболее близкой по результатам для нас является зарубежная компания Mura Technology, исследования которой демонстрируют, как различные типы пластика становятся топливом. Мы решили показать, что этот результат не только достижим, но и может быть адаптирован под наши производственные компании, учитывая особенности их сырья. Наша мотивация — переход к экономике замкнутого цикла и популяризация технологии сверхкритической экстракции».

В основе производства замкнутого цикла лежит переработка вторичного сырья. Что касается отходов пластика, то применяемые ныне технологии переработки за счет реакции открытого горения позволяют получать очищенные пластиковые гранулы. Но использование таких гранул ограничено из-за их низкого качества и доступности дешевого исходного сырья, поэтому для гранул формируется отдельный рынок сбыта.

«Результатом нашего разделения отходов пластика являются исходные нефтепродукты, — поясняет Глеб Иванов, — которые могут быть использованы снова в производстве (чистое, качественное сырье) или для получения более востребованного по сравнению с гранулами товара — топлива. Если вторичное сырье не найдет своего покупателя, то и замкнутый цикл производства будет обречен, именно для этого мы создаем наше оборудование».

Аспирант-ассистент кафедры автоматики и телемеханики, резидент Бизнес-инкубатора «Динамика роста» ПНИПУ Глеб Иванов

Г. Иванов

Вода в состоянии флюида

Устройство, созданное учеными ПНИПУ, перерабатывает широкий спектр промышленных отходов, требует в четыре раза меньше рабочей площади и полностью состоит из отечественных комплектующих. В его основе — глубокая переработка отходов с помощью универсального растворителя — воды в состоянии флюида. Комплекты проектируются на основе базовой технологической схемы и могут быть адаптированы под задачи заказчика, учитывая вид и состав сырья, требуемую мощность и необходимую глубину переработки.

«Технологическое оборудование создается на основе свойства сверхкритической воды, поясняет Глеб Иванов. — Сверхкритическое состояние достигается за счет помещения воды в замкнутую систему, где она сжимается под давлением выше 217 атмосфер, нагревается выше 373 градусов Цельсия и переходит в состояние флюида, одновременно оставаясь жидкостью и газом. Это позволяет разрушать самые сложные углеводородные связи промышленных отходов, что в случае с пластиком дает возможность разделить его на более простые составляющие — производные нефтепродукта».

На заключительном этапе необходимо будет довести результат переработки до товарного вида в соответствии с требованием заказчика. Речь идет, к примеру, о проведении реакции каталитического крекинга над производными нефтепродукта и получении на выходе различных видов топлива.

«Для достижения заявленного результата первоначально необходимо создать условия для доведения воды до сверхкритического состояния, — рассказывает Глеб Иванов. — Для этого в замкнутый контур мы подаем воду через дозировочный насос и смешиваем с пропускаемым через компрессор под высоким давлением кислородом (это наше собственное технологическое решение). Образовавшаяся смесь проходит через контур нагрева и переходит в сверхкритическое состояние, в котором она подается в загрузочный реактор с сырьем (промышленными отходами). На основе принципа сообщающихся сосудов происходит закалка посредством системы, также разработанной нами: переливание полученной смеси из загрузочного реактора в момент разрушения молекулярных связей через холодильник, где смесь резко охлаждается, что не позволяет разорванным цепочкам образовывать новые связи и получать довесок (в случае с пластиком это тяжелая фракция нефти)».

После этого смесь попадает в разделительный реактор, где из-за разности плотностей она делится по фазам (процесс идет более активно ввиду наличия эффекта центрифуги). В результате разделения удаляется механический осадок, полученные фазы продукта разной плотности отправляются на дальнейшие этапы доведения до требуемого товарного вида (применяются известные способы по согласованию с заказчиком), или результат переработки передается непосредственно заказчику.

«Что касается пластика, мы предлагаем после переработки добавить реакционный блок каталитического крекинга с выстраиванием режима под конкретную фазу полученного сырья. Таким образом, на выходе будут получаться различные виды топлива: бензин, керосин, дизельное топливо (суммарно до 85 процентов от общего объема исходного сырья)», — поясняет Глеб Иванов.

В нефтепереработке лучшие клиенты

«Наша технология позволяет выйти на новый рынок сбыта — нефтеперерабатывающие компании, где спрос на углеводородное топливо значительно превышает спрос на вторично переработанный пластик, тем самым позволяя решить ключевую проблему — низкую рентабельность», — поясняет Глеб Иванов.

Пермские ученые получили грант Фонда содействия инновациям, установка разрабатывалась для решения задач таких компаний, как «Сибур Биаксплен», «Уфаоргсинтез», «Нижнекамскнефтехим», «Ставролен», «Полиом», «Тобольск-Полимер».

«Уже идет сотрудничество с пермской компанией “Сибур-Химпром”. Создано пилотное оборудование, завершены работы с образцами, — рассказывает Глеб Иванов, — полученная продукция проходит лабораторные анализы. По окончании данного этапа мы переходим к переговорам о внедрении, к формированию задачи от заказчика».