Цивилизация
###1###
Декларируемое в последние годы построение инновационного государства дает определенные плоды. Уже сейчас можно сказать, что в промышленности произошел поворот к поиску отечественных инноваций, утратили приоритет покупки инноваций за рубежом. К нам в Институт нефтехимического синтеза РАН все чаще обращаются разные компании – и «Роснефть», и «Сургутнефтегаз», и «Газпромнефть», и «Сибур», — мы со всеми контактируем очень внимательно и доброжелательно. Но есть несколько проблем, которые делают внедрение наших инноваций в экономику и промышленность затруднительными. Первая проблема связана с тем, что
у нас сейчас отсутствуют алгоритмы испытания новой крупномасштабной техники.
В нефтехимии нельзя обойтись небольшими пилотными установками: испытание моего проекта переработки гудрона или проекта любого другого нефтехимика стоит десятки миллионов долларов – и это еще маленькая установка, промышленная стоит 500 млн долларов и более. Это большие затраты, большие риски, а понятного алгоритма проведения таких испытаний нет. Чтобы было понятно, алгоритм в таких случаях – это схема инвестиций и раздела будущего продукта. Должно быть понятно, в каких условиях партнеры вступают в сделку, как они делят собственность, кто за что отвечает, как они делят полученный интеллектуальный продукт. У нас пока этих навыков нет, поэтому у меня очень большая проблема испытать свои технологии, подтвердить их, чтобы их могли купить и внедрить.
Вторая проблема нашей страны – у нас пропало или очень сильно пострадало звено инженеров в период реорганизации экономики.
Тому много причин, и я не буду их сейчас перечислять, но реально факт состоялся: инженерное звено почти исчезло.
Третья причина связана с тем, что в нашей отрасли подавляющее большинство крупных компаний государственные или с большим государственным участием. Это означает, что
они нечувствительны к инновациям, у них другие приоритеты. Им важно, чтобы их не обвинили в том, что они взяли какую-то неправильную технологию, что-то украли.
Они пытаются сохранить свою работу, а не продвинуться вперед, потому что у них нет взгляда на дальние перспективы. Это наличие госкорпораций, с одной стороны, облегчает жизнь, потому что можно использовать административный ресурс, а с другой стороны, ухудшает положение, потому что они всеми силами будут сопротивляться инновациям, это их внутреннее противоречие.
Ну и последняя причина (хотя далеко не последняя по важности) это то, что
у нас фактически нет рыночной экономики, нет конкурентной среды.
Рыночная экономика и конкурентная среда лучше всего заставляет бороться за инновации, более эффективно, чем какие-либо призывы. В Советском Союзе, где я жил и дорос до министра, главной проблемой было именно отсутствие конкурентной среды. Только очень жесткие волевые действия заставляли двигаться к инновациям. Но этих действий хватало на оборону, еще на некоторые отдельные области, однако все мотивировать таким образом невозможно. Это была наша главная проблема, и эту же проблему сегодня мы, хоть и в меньшей степени, продолжаем иметь, мы ее не решили.
С другой стороны, постановка вопроса, что нужно все производить внутри страны, все иметь отечественное, неверна. Она существовала в СССР, ее пытаются возродить сейчас, но это не то, что нам нужно. 150 млн человек нашего населения – не такая уж большая доля в населении Земли, и мы в принципе не можем производить все самое лучшее, это невозможно. Мы можем произвести инноваций в три раза больше, чем наша доля в человечестве, то есть не 2%, а 6% всех разработок в мире будут нашими. Но есть же граница человеческих возможностей, поэтому мы должны научиться выбирать главные, ведущие отрасли. Нельзя все охватить, нельзя везде победить, но в отдельных областях можно.
Для нас, я считаю, наиболее перспективны две отрасли – отрасль переработки своих собственных ресурсов
(бессмысленно отдавать свои ресурсы дешево, предоставляя возможность их перерабатывать другим, здесь мы должны быть впереди) и второе – оборонная область, в которой мы первенствовали благодаря титаническим усилиям Советского Союза. В ней мы и сейчас в первых рядах, и ее можно и нужно развивать. Это главные направления, которые мы не должны отдавать. В остальном можно концентрироваться на тех областях, где создается какая-либо гениальная группа ученых – ведь есть еще роль личности. Такие группы и нужно поддерживать, цепляться за эти области – создали же наши ребята, но, к сожалению, в Манчестере, графен – вот за них можно было зацепиться. Так постепенно можно наращивать перспективные области. Однако для модернизации и переустройства экономики достаточно держать два главных направления на самом высоком научном и технологическом уровне. И, конечно, нужна конкурентная среда, потому что без нее мечтать и говорить об инвестициях невозможно, говорить об инновациях сейчас можно только там, где мы надавим, добьемся движения волевым усилием наших руководителей.+++
###2###
Наш институт – один из старейших институтов в структуре РАН, ему уже 76 лет, в 2009 году мы отметили 75-летие. Это очень крупный институт, его создавали великие люди нашей страны – Губкин, Зелинский написали письмо о необходимости создания такого института. Он тогда назывался Институтом твердых горючих ископаемых, занимался всеми видами ископаемого углеродсодержащего сырья, а позже он стал Институтом нефтехимического синтеза.
Сейчас у нас три главных направления: собственно нефтехимия, нефтехимический синтез; полимерная химия, синтез полимеров и мембраны, мембранные технологии.
Наиболее развитое у нас направление, конечно, нефтехимическое, где мы занимаемся основополагающими процессами нефтехимии, которые определяют лицо отрасли. Например, есть в какой-либо области 200–300 промышленных процессов, но из них лишь 4–5–6 процессов являются массовыми, наиболее крупнотоннажными, и наш институт занимается именно ведущими, масштабными процессами нефтепереработки и нефтехимии. Здесь мы работаем и работали на хорошем уровне, в некоторых случаях даже на лучшем в мире уровне. Однако традиционно система нашей работы была несколько другой:
ИНХС всегда работал в тандеме с прикладным Грозненским нефтяным научно-исследовательским институтом.
Сейчас он ослаб в результате событий последних десятилетий, а изначально это был один из ведущих центров прикладной нефтяной науки. Он был создан в 1898 году как лаборатория, потом это была центральная лаборатория «Грознефти», потом она стала отраслевым институтом. Сегодня ему 112 лет, и за это время там накоплены колоссальные традиции. Эти два института всегда работали в тандеме: фундаментальные работы выполнял ИНХС, прикладные – институт в Грозном. Этот тандем создал практически все наши процессы каталитической переработки легкой части мазута, внедренные на многих НПЗ, в том числе, например, и на Московском НПЗ. Сегодня мы имеем 4–5 высококонкурентных или даже не имеющих аналогов в мире современных процессов нефтепереработки и нефтехимии. Коллектив института – примерно 500 человек, из них 350 – научные работники, 150 – дирекция, операторы, инженеры.
Сейчас у нас есть очень интересные процессы переработки тяжелых углеводородов в бензин и дизельное топливо,
у нас есть наработки, чтобы эффективно переработать попутный нефтяной газ в качественную синтетическую нефть и потушить позорящие нашу страну факела на наших промыслах.
Новая технология не имеет аналогов в мире. Есть оригинальные процессы получения этилена и пропилена из природного газа, соответствующие лучшему мировому уровню.
Кроме того, мы создали процесс – «мечту химика», как мы его называем. Если мы хотим, чтоб бензин был очень качественный, самого высокого качества (уровня евро-4, евро-5), нам нужно получать так называемые изопарафины, разветвленные углеводороды бензинового ряда. Эти изопарафины синтезируются по реакции Ипатьева, крупнейшего русского химика, который уехал в Америку, в 30-е годы работал там. Этот великий химик и технолог — легенда человечества. Одна из крупнейших сегодня инженерных фирм США была создана Ипатьевым, он был ее основоположником. Говоря простым языком,
по реакции Ипатьева мы две короткие молекулы по четыре атома углерода соединяем вместе и получаем разветвленную молекулу с восемью атомами углерода – это и есть изооктан, бензин с октановым числом 100.
Но эта реакция протекает на очень экологически опасных катализаторах, которые дают грязные отходы.
Альтернативы этому процессу не было, поэтому он активно использовался и используется, изопарафины этим методом производятся в объеме сотен миллионов тонн в год. Но одновременно получаются тысячи тонн грязных отходов. С одной стороны, выбросы автомобилей, использующих такой бензин, чище. С другой стороны, получая изооктан сернокислотным методом, мы загрязняем территорию вокруг завода очень тяжелыми высококислотными отходами. Это кислые гудроны – серная кислота в смеси с тяжелыми углеводородами. Около некоторых заводов, в частности, в Ярославле, находятся озера из этих гудронов. Переработка их очень тяжелая и дорогостоящая задача.
Другой вариант – катализ фтором, он не так опасен для окружающей среды, но зато его возможные утечки смертельно опасны для сотрудников производства (фтор – газ, убивающий при вдыхании). Сейчас существует только два этих катализатора, в России имеется одна установка, использующая в качестве катализатора фтор, остальные установки базируются на процессе с серной кислотой, созданном нашим институтом и ГрозНИИ.
Реакция Ипатьева была открыта в 1935 году, и все эти 75 лет химики бьются над тем, чтобы найти экологически чистый катализатор этого процесса. И сейчас мы считаем, что мы на пороге создания первого промышленного процесса с экологически чистым катализатором. Я убежден, что нам это удастся, так как есть солидный научный задел, мы на фундаментальном уровне понимаем, почему раньше это не удавалось и как теперь это можно сделать. Это будет колоссальный прорыв в технологии, а для нас это будет большое удовольствие – осуществить «мечту химика».
Спрос на наши разработки есть не только и не столько в России, сколько за рубежом. Если внутренний спрос появился в последние годы, то с зарубежными коллегами – это американские, голландские (институт TNO), французские, ближневосточные компании — мы работаем уже долгое время. Кроме бюджетного финансирования у нас есть финансирование по контрактам, это примерно 160 млн рублей в год, из них 70% мы получаем за рубежом и только 30% в России. Мы, Институт фундаментальных исследований, вынуждены конкурировать на мировом рынке в сугубо прикладных задачах, не имея специального финансирования, испытательной базы. Но мы конкурируем, бьемся, хотя это непросто. Повторюсь, в последние годы российские компании повернулись лицом к отечественным инновациям, по крайней мере, к нашему институту точно.
В направлении мембранных технологий сочетается изучение и мембранного разделения, и катализа. Вообще мембранный катализ в мире появился в нашем институте, общепризнанный его основоположник – академик Владимир Михайлович Грязнов, его лаборатория мембранного катализа до сих пор активно работает. У нас большой мембранный центр, две международные мембранные лаборатории – российско-голландская и российско-французская. Наши некоторые аспиранты по мембранам, защищая диссертацию, могут получать сразу два диплома: наш и Университета Нанси.
Мембранные технологии – один из важных элементов при широком внедрении производства биотоплив. Например, нам нужен углекислый газ, чтобы «кормить» водоросли. Но в воздухе его чрезвычайно мало, в продуктах горения печей он находится в смеси с другими газами, и его нужно выделить для использования в биореакторах. Мы с голландцами занимаемся мембранными системами выделения СO2. Мы дошли до хорошего уровня разработок, уже провели испытания, синтезировали специальные полимерные мембраны (наш институт занимается как изучением физико-химии разделения, так и приготовлением мембран, это редкость).
Выделения СО2 – очень важная тематика в рамках Киотского протокола по сокращению выбросов парниковых газов.
Мембраны нужны и для выделения продуктов брожения из смесей. Когда с помощью ферментации разлагается навоз, солома, другие отходы, образуется так называемый биогаз. Он состоит из метана (так же как и природный газ), а также углекислого газа (около 30%). Из-за этой примеси у биогаза низкая калорийность – количество выделяемого тепла на единицу объема газа. Такие смеси мы тоже делим на наших мембранах – мы создали модуль, проводим опытные испытания. Такие комплексы и для сельского хозяйства сейчас разрабатываются: тот же навоз можно превратить в топливо, в биогаз, который затем будет использоваться для нужд населения. Еще пример: при производстве биоэтанола есть одна очень сложная стадия: отделение спирта от воды. Обычно это делается ректификацией, то есть нагревом и перегонкой, однако, во-первых, при использовании этого метода образуется так называемый азеотроп – 96% спирт уже нельзя отделить от примеси воды, во-вторых, это очень энергозатратный процесс.
То есть, с одной стороны, вы получаете этанол, чтобы потом заправлять им машины, а с другой стороны – тратите энергию на его отделение от воды.
Мембраны решают проблему разделения почти при комнатной температуре: вода отделяется от этанола существенно дешевле и проще. То же касается и бутанола, который считается более перспективным топливом (бутанол – это как бы два этанола, он содержит не два, а четыре атома углерода). По этому направлению мы работаем и с голландцами, с TNO, и с ассоциацией «Аспект» (ее возглавляет профессор Лев Трусов), которая выполняет прикладную часть. Разработкой организмов, бактерий для более эффективной ферментации, продукты которой мы учимся использовать, занимаются Институт биохимической физики имени Эммануэля, Институт биохимии, подключился Курчатовский центр, есть группа академика Кирпичникова на биологическом факультете МГУ. Страна движется вперед.+++
###3###
Открытие – это не предмет, это понимание.
Когда вы поняли, почему какой-то процесс протекает так, а не иначе, и это ваше понимание окажется правильным – это открытие.
Неправильно, когда кто-то говорит «я сделал открытие». Математик может предложить решение задачи, потом его проверят коллеги, сообща установив правильность решения. В химии вы часто имеете процесс и его результат, но вы не можете понять, почему результат такой. Понять, почему такая реакция именно так, — это и есть открытие. Если вы поняли процесс, вы сможете его регулировать.
Пример – процессы каталитического крекинга легкой части мазута – вакуумного дистиллята. Чтобы получить бензин, нужно разорвать длинную углеводородную цепочку на более короткие. Однако в зависимости от процесса скорость этого разрыва будет разной: одна реакция идет 30 минут, а другая – секунду в зависимости от того, как этот разрыв связи организован. Всегда было некое понимание, как идет этот разрыв связи – сначала от этого «длинного» парафина отрывается гидрид-ион, получается карбокатион, затем рвется сама связь углерод-углерод, в полном соответствии с обычными законами органической химии. Но в какой-то момент в 70-е годы мы поняли, что механизм может быть совсем другим.
Первым для жидких катализаторов (мы работали только с твердыми, так как именно они применяются в промышленности) новый механизм показал профессор Джордж Ола из Калифорнийского университета. Согласно новому механизму, при разрыве С-С связи в парафинах не гидрид-ион отрывается, а, наоборот, к углероду присоединяется протон. Пример насыщенного углеродного атома – метан – СН4.
Традиционно считалось, что невозможно присоединить к углеродному атому более четырех заместителей, так как он четырехвалентен.
Оказалось, что в определенных условиях можно присоединить еще один протон, сделать карбокатион СН5+ , и профессор Ола первым показал это на жидких кислотах. Мне с профессором МГУ Топчиевой К. удалось показать это для катализа на цеолитах – пористых минералах, у которых поры размером 0,3–0,8 нм. Когда я понял механизм процесса, я уже знал, как нужно по-другому построить реакции, как управлять ими. Поэтому открытие – это понимание. Профессор Ола Д., который первым достиг этого понимания, получил за свое открытие Нобелевскую премию в 1994 году. Первые промышленные установки были созданы не на жидких кислотах, изученных профессором Ола, а на твердых катализаторах, и в США, и в России.
Еще одно понимание, которое приходит к нам сейчас, – это «мечта химика», проведение реакции Ипатьева – алкилирование изобутана бутиленом – в экологически чистых условиях. Тут мы тоже поняли, что существующие представления оказались приемлемыми для жидкостей, но неприемлемыми для твердых катализаторов. Сейчас мы понимаем, почему они неприемлемы – именно поэтому я говорю, что мы сделаем этот процесс, потому что у нас есть главное – его понимание.
Осталась проблема «железа», проблема испытаний, проблема варьирования условий, но базовое понимание уже есть.
В промышленности существуют созданные эмпирически каталитические процессы, в которых нет глубокого понимания работы катализатора, однако это небольшие, второстепенные производства. Для создания уникального, не имеющего аналогов в мире процесса нужно в первую очередь понимание сути реакции на фундаментальном уровне, причем реакции необычной, революционной. Вот почему
я считаю, нет ничего более практичного, чем глубокие фундаментальные исследования.
+++