Цифровой двойник технологии синтеза ПАВ

Цифровой двойник технологии синтеза ПАВ – это комплекс программно-реализованных математических моделей ключевых стадий получения алкилбензолосульфокислот – основы синтетических моющих средств – обеспечивающий повышение экономической и производственной эффективности работы промышленных реакторов на российских предприятиях.

Основные задачи, решаемые системой цифрового моделирования синтеза ПАВ

  • Численные исследования кинетики и термодинамики многостадийных процессов (дегидрирование, алкилирование, сульфирование) с учётом квантово-химических расчётов
  • Моделирование дезактивации каталитических систем и реакционных сред (накопление высоковязких компонентов, коксообразование)
  • Анализ сопряжённости аппаратов химико-технологической схемы для оптимизации взаимосвязанных стадий
  • Оптимизация режимов работы реакторов: расчёт материального и теплового балансов промышленных реакторов при изменении температуры, давления, соотношений реагентов в реальном времени
  • Управление активностью катализаторов и реакционных систем
  • Прогнозирование длительности межпромывочных циклов работы плёночного реактора сульфирования (увеличение до 45%)
  • Численные исследования массопереноса и гидродинамики в многотрубных плёночных реакторах
  • Повышение глубины переработки сырья: с 14–16% до 46%
  • Обеспечение качества продукции: доля целевых сульфокислот >98% (стандарт премиальных детергентов)
  • Снижение энергопотребления на ~25-26% за счёт оптимизации теплообмена и рециркуляции
  • Рост выпуска продукции до 10% при сохранении ресурса оборудования 
  • Импортозамещение критических технологий: замена зарубежных лицензий отечественным ПО (более 30 свидетельств о регистрации)
  • Адаптация процессов к российскому сырью без зависимости от иностранных решений
  • Масштабируемость методологии на другие процессы: получение этилбензола, стирола, высокооктановых добавок, присадок к смазочным маслам и проч.
  • Сквозное прогнозное управление цепочкой «дегидрирование → алкилирование → сульфирование»
  • Проактивное регулирование технологических параметров в условиях прогрессирующей дезактивации
  • Модернизация оборудования

Концепция платформы «Цифровой двойник технологии синтеза ПАВ»

  1. Суть и назначение

    Платформа представляет собой отечественный программно-аппаратный комплекс, реализующий сквозной прогнозный контроль многостадийного производства линейных алкилбензолов и алкилбензолсульфокислот (ЛАБ/ЛАБСК) – основы современных синтетических моющих средств. Главная цель платформы – замена зарубежных лицензий и инженерного ПО, обеспечение технологического суверенитета отрасли и перевод нестационарных промышленных процессов в режим непрерывной оптимизации с максимальным ресурсом оборудования и конверсией сырья.

  2. Архитектура и ключевые модули

    Платформа построена по модульному принципу и включает:
    • Ядро математического моделирования – нестационарные кинетические и гидродинамические модели процессов дегидрирования, жидкофазного алкилирования и сульфирования.
    • Блок прогнозной аналитики – алгоритмы предсказания дезактивации реакционных сред, накопления высоковязких сульфонов/тетралинов и динамики коксообразования на Pt- и HF-катализаторах.
    • Модуль адаптивного управления – оптимизация режимов в реальном времени с учётом нелинейного взаимного влияния сопряжённых аппаратов химико-технологической схемы.
    • Интерфейс цифрового двойника – визуализация технологической цепочки, симуляция сценариев, поддержка принятия решений операторами и инженерами, интеграция с промышленными тренажёрами.

Функциональные возможности

  • Расчёт и оптимизация технологических режимов в условиях прогрессирующей дезактивации реакционных сред.
  • Прогнозирование длительности межпромывочных циклов, ресурса катализаторов и вероятности нештатных ситуаций.
  • Виртуальная отладка реконструкций оборудования (замена кожухотрубчатых теплообменников на пластинчатые, оптимизация геометрии реакторов 25→43 мм, алгоритмы прогнозного рециклирования).
  • Обучение и переподготовка персонала на компьютерных тренажёрах с моделированием динамических режимов и отказов.
  • Готовность к интеграции с АСУ ТП и промышленными датчиками для работы в режиме онлайн.
     

Промышленная ценность и достигнутые эффекты

Апробация платформы на крупнотоннажном производстве ЛАБ/ЛАБСК:

  • Увеличить глубину переработки тяжёлого сырья с 14–16% до 46%.
  • Достичь чистоты целевых сульфокислот >98,3% (стандарт премиальных детергентов).
  • Снизить энергопотребление на 26,7% и продлить межремонтные пробеги оборудования на 45%.
  • Увеличить срок службы платиносодержащего катализатора дегидрирования на 20% (экономический эффект исчисляется десятками млн руб./год). Решения защищены патентами и более чем 30 свидетельствами о регистрации ПО, входят в перечень критически важной продукции Минпромторга РФ.

Верификация: замкнутый цикл «Модель – Лаборатория – Промышленность»

Для обеспечения высокой точности прогнозных расчётов и корректной калибровки нестационарных математических моделей создан и успешно эксплуатируется лабораторный комплекс сульфирования. Установка позволяет воспроизводить промышленные режимы в контролируемых условиях, экспериментально подтверждать установленные кинетические закономерности и оперативно валидировать результаты численного моделирования.

Сформирована научно-инженерная цепочка непрерывной верификации: Математическая модель → Лабораторная установка → Промышленный реактор. На базе лабораторного стенда уже синтезированы опытные образцы алкилбензолсульфокислоты, полностью подтвердившие адекватность разработанных моделей и их прямую масштабируемость. Такая связка гарантирует безопасный и экономически эффективный переход от теоретических расчётов к промышленным решениям, минимизируя технологические риски при внедрении цифрового двойника.

Масштабируемость и дорожная карта

Платформа обладает высокой универсальностью и в горизонте 3–10 лет будет адаптирована под:

  • Синтез других типов ПАВ для химической, нефтегазовой и бытовой отраслей.
  • Процессы получения этилбензола, стирола, высокооктановых добавок и сульфонатных присадок.
  • Интеграцию с IT-системами для создания «умных» производств.
  • Переход к экономике замкнутого цикла через оптимизацию рециклов, минимизацию кислых стоков и снижение углеродного следа.

Контакты:

  • Ивашкина Елена Николаевна, д.т.н., профессор ОХИ ИШПР, ivashkinaen@tpu.ru
  • Долганова Ирэна Олеговна, д.т.н., профессор ОХИ ИШПР, dolganovaio@tpu.ru
  • Долганов Игорь Михайлович, к.т.н., доцент ОХИ ИШПР, dolganovim@tpu.ru