Научные исследования

Сотрудники лаборатории «Цифрового моделирования» о разработке современной технологии получения стратегически важного продукта

Как известно, в КНИТУ на базе Передовой инженерной школы функционирует лаборатория «Цифрового моделирования». Одним из направлений научно-исследовательской деятельности которой является разработка технологии получения оксида пропилена. О нюансах его получения и основных этапах рассказываем в статье.

Наиболее перспективным способом получения оксида пропилена является каталитическое эпоксидирование пропилена органическими гидропероксидами в присутствии катализаторов – соединений молибдена. В качестве эпоксидирующего агента используют гидропероксид изопропилбензола, этилбензола, трет-бутила. В нашей стране на предприятии ПАО «Казаньоргсинтез» реализована технология совместного получения фенола и ацетона путем кислотного разложения гидропероксида изопропилбензола. Одним из ее этапов является окисление изопропилбензола до гидропероксида изопропилбензола. Исследования лаборатории «Цифрового моделирования» направлены на разработку технологии производства оксида пропилена с применением гидропероксида изопропилбензола. Внедрение данной технологии в производство фенола и ацетона позволит расширить линейку выпускаемой продукции предприятия и адаптировать его под изменчивую рыночную обстановку. Для того, чтобы создать такую технологию, необходимо: подробно исследовать кинетику процесса эпоксидирования, определить константы скоростей протекания реакции и рассчитать реактор.

Получение оксида пропилена через гидропероксид изопропилбензола является многостадийной технологией, включающей несколько стадий:

1) селективное окисление изопропилбензола до гидропероксида изопропилбензола;

2) эпоксидирование пропилена гидропероксидом изопропилбензола;

3) переработка образующегося при эпоксидировании диметилфенилкарбинола. Полученный оксид пропилена является как товарным продуктом, так и сырьем в процессах получения различных смол, пропиленгликолей, полиуретанов и др.

«Основой технологии является синтез оксида пропилена. Это наиболее важный стратегический продукт, который необходим нашей стране. На сегодняшний день производство оксида пропилена в мире составляет более 8,5 млн т/год при наблюдающемся росте спроса 4-5% в год. Ситуация в России кардинально отличается от общемировой. Известно, что, несмотря на большой объем добычи углеводородов, внутренний дефицит на оксид пропилена в России ежегодно оценивается примерно в 100 тыс. т и удовлетворяется за счет импорта. Поставляя сырье за рубеж, а в обмен получая продукты химической переработки со значительной добавленной стоимостью, страна несет огромные убытки. Поэтому основная задача нашей лаборатории «Цифрового моделирования» – использовать все возможности для создания современной технологии совместного получения фенола, ацетона и оксида пропилена, как наиболее экономически выгодной, – поделился Харлампиди Харлампий Эвклидович, профессор кафедры ОХТ, доктор химических наук, заведующий лабораторией «Цифрового моделирования».

Моделирование кумольной технологии получения оксида пропилена включает в себя несколько этапов.

О первом этапе рассказал Багавеев Ильдар Маратович, инженер первой категории кафедры ОХТ, младший научный сотрудник лаборатории: «Сначала мы осуществляем синтез катализаторов эпоксидирования олефинов гидропероксидами, состоящий из молибдена, гидропероксида и спирта. Затем проводим ряд экспериментов по эпоксидированию пропилена гидропероксидом изопропилбензола с использованием молибденового катализатора».

«Чтобы смоделировать процесс, сначала необходимо получить данные о скорости реакции. Для этого мы проводим ряд экспериментов и определяем, как изменяется состав реакционной смеси во времени при изменении условий проведения этого процесса. Для определения состава углеводородной смеси применяется хроматографический метод анализа. На нашей кафедре для работы используется хроматограф «Хроматэк-Кристалл», который производится в городе Йошкар-Ола. Образец исследуемой пробы вводится в аппарат, а компьютерная программа обрабатывает сигнал. С помощью полученной хроматограммы возможно определить как качественный, так и количественный состав исследуемой пробы», – рассказала о втором этапе Тунцева Светлана Николаевна, к.т.н., доцент кафедры ОХТ, ведущий научный сотрудник кафедры ОХТ, старший научный сотрудник лаборатории «Цифрового моделирования».

Третьим этапом исследования является квантово-химическое моделирование, которое позволяет определить механизм эпоксидирования пропилена гидропероксидом кумола. Подобранным методом B3LYP/GD3-6-311+G(d,p) в программном пакете Gaussian 16 Rev. C.01 оптимизируются структуры молекул реагентов – пропилена и гидропероксида кумола. После чего рассчитываются промежуточные комплексы молибденового катализатора с молекулами реагентов. Возможность образования предполагаемых промежуточных комплексов оценивается их термодинамической стабильностью. Далее проводится сканирование поверхности потенциальной энергии стабильных промежуточных комплексов, что позволяет установить путь реакции, образующиеся продукты и переходное состояние этого комплекса. На основании результатов сканирования можно установить механизм эпоксидирования пропилена гидропероксидом кумола на молекулярном уровне. Об этом этапе кумольной технологии рассказал Балдинов Андрей Андреевич, инженер первой категории кафедры ОХТ, младший научный сотрудник лаборатории.
«Следующим этапом после квантово-химического моделирования является моделирование кинетики протекания эпоксидирования пропилена гидропероксидом кумола. В рамках экспериментального исследования были получены концентрации компонентов реакционной смеси в моль/л. Далее мы записали общую кинетическую схему эпоксидирования пропилена гидропероксидом кумола, полученную с помощью квантово-химического моделирования. На ее основе построили кинетическую модель в виде системы дифференциальных уравнений, записанных по закону действующих масс. Затем в программном пакете «ВольфрамМатематика» решали обратную кинетическую задачу по подбору параметров кинетической модели, позволяющих удовлетворительно описать экспериментальную зависимость накопления компонентов реакционной смеси.
Затем в программном пакете Aspen Hysys моделируем химико-технологический процесс эпоксидирования пропилена гидропероксидом кумола. На начальном этапе происходит окисление кумола кислородом воздуха в трех реакторах окисления. Далее реакционная масса разделяется и укрепленный гидропероксид кумола поступает непосредственно на стадию эпоксидирования, которое протекает в двух реакторах смешения. После этого реакционная масса, выходящая сверху реактора смешивается, охлаждается и поступает в теплообменник и колонну разделения. Часть оксида пропилена и гидропероксида кумола возвращается в процесс, а оксид пропилена в виде товарного продукта уходит на следующую стадию», – объяснила Люлинская Яна Львовна, инженер первой категории кафедры ОХТ, младший научный сотрудник лаборатории «Цифрового моделирования».
«В рамках взаимодействия с ПИШ «Промхимтех» мы активно занимаемся изучением и созданием кумольной технологии получения оксида пропилена. На заводах органического синтеза используется процесс окисления кумола до гидропероксида. Он является наиболее экономически выгодным и доступным, так как полностью отвечает требованиям, предъявляемым к продукции. Существует также японская технология, принадлежащая фирме Sumitomo, которая отличается от нашей тем, что процесс получения гидропероксида кумола осуществляют в водно-щелочной среде. Наша технология проста и ее можно использовать для процесса эпоксидирования, однако применяется она на сегодняшний день только в лабораторных условиях», – отметил Харлампиди Харлампий Эвклидович, профессор кафедры ОХТ, доктор химических наук, заведующий лабораторией «Цифрового моделирования».