Відділ хіміко-технологічних досліджень

Шкарапута Леонід Миколайович, доктор технічних наук, професор.

Адреса: Україна 02160, Київ-160, Харківське ш., 50.
Телефон/факс: 559-66-47, 559-98-00.
E-mail: lnsh@mail.kar.net

Основні напрямки наукових досліджень:

Розробка наукових основ промислового виробництва продуктів біоорганічного, органічного та нафтохімічного синтезу.

Відділ хіміко-технологічних досліджень створений у 1977 році.

Основний напрямок досліджень, мета, ідеологія всієї роботи - розробка наукових основ промислового виробництва продуктів біоорганічного, органічного та нафтохімічного синтезу, сформульовані академіком В.С. Гутирею, д.т.н., проф. В.Т. Скляром і д.т.н., проф. Л.М. Шкарапутою. При розробці наукового напрямку визначальним було розуміння неможливості і недоцільності простого переносу умов лабораторного синтезу у промисловість. Тільки створення та дослідження математичних моделей, що достовірно описують закономірності хімічного перетворення, може виявити шляхи раціонального виробництва, вирішити питання масштабування, апаратурного оформлення і оптимізації. У межах вибраного наукового напрямку зусилля співробітників відділу зосереджені на проведенні аналізу механізмів хімічної взаємодії, дослідженні кінетичних, термодинамічних, теплофізичних та гідродинамічних закономірностей, створенні та дослідженні математичних моделей процесів, оптимі-зації, вирішенні питань апаратурного оформлення, розробці технологічних регламентів, створенні та освоєнні установок.

Співробітниками відділу встановлено, що електрофільне приєднання хлору до олефінів у воді може проходити і за асоціативним і за дисоціативним механізмами, знайдено критерій розмежування областей бі- та тримолекулярної взаємодії. Виходячи з аналізу елементарних хімічних актів, вперше одержано співвідношення, що описують швидкість утворення продуктів хлоргідринування, виявлено умови, які дозволяють визначити поточну концентрацію олефінів як функцію електропровідності реа-кційної суміші і значно спростити визначення кінетичних констант. Запропоновано вирази, що адек-ватно описують закономірності хлоргідринування, розроблено алгоритм оптимізації і розрахунку не-стаціонарних режимів, запропоновано оригінальні способи одержання 3-хлор-4-окси- і 3,4-дихлортіолан-1,1-діоксидів. Розроблено оригінальні методи хлоргідринування та сульфатування, вперше створено математичний опис двошнекового реактора-змішувача, що враховує закономірності транспорту, розігріву, кристалізації та власне хімічного перетворення суміші реагентів в умовах безперервної евакуації одного з інгредієнтів. Проведені дослідження дозволили розробити і успішно перевірити в дослідно-промислових умовах технологічні процеси одержання високоефективних речовин ЛУР і ДИМОС для обробки бавовняних тканин.

Фахівцями відділу досліджені умови роботи зворотних емульсій в технологічних процесах, що спрямовані на інтенсифікацію добування нафти, і запропоновані ефективні стабілізатори емульсій ЕС-2, ЕС-4, БЕС-1, розроблено технологію направленої емульсійно-кислотної обробки призабійних зон, технологію глушіння свердловин зворотними емульсіями на основі емульгатора ЕС-2. Розроблено оригінальний реагент для обробки бурових розчинів. Досліджено теплофізичні та тер-мохімічні властивості реагентів, термодинамічні та кінетичні закономірності взаємодії між кубовими залишками СЖК та декстраміном, створено адекватні математичні моделі процесів в різних варіантах реакторів, виконано оптимізацію, розроблено технологічні регламенти, створено і освоєно на Дрогобицькому НПЗ виробництво 5000 т ЕС-2 та ЕС-4. Реальний економічний ефект перевищив 30 млн. радянських крб.
Відділом проведено великий обсяг робіт по вибору альтернативної сировини та розробці рецеп-тур і технологічних процесів одержання композиційних в'яжучих для дорожнього будівництва і коксохімії із нераціонально використовуваних речовин та побічних продуктів нафтопереробки (нафтові шлами, кислі гудрони, асфальто-екстрактні суміші (АЕС), гудрони, відходи каучуків та ін.). Знайдено шляхи регулювання показників якості та запропоновано ефективні легуючі домішки і доступні каталізатори, які дозволяють одержувати в'яжучі без традиційного окиснення повітрям. Рецептури в'яжучих визнані ви-находами. Показано, що використання кавітаційного впливу не тільки радикально поліпшує змішування компонентів, але й дозволяє за рахунок високоенергетичного впливу в 4-12 разів прискорити хімічні процеси при одержанні в'яжучих як компаундуванням, так і окисненням.

Досліджено залежності між геометрією суперкавітаційного змішувача, режимами обтікання і терміном окиснення, створено матема-тичну модель суперкавітаційного змішувача та інженерний метод його розрахунку .
Розроблено і впроваджено на Кременчуцькому НПЗ технологічні процеси виробництва про-дуктивністю до 200 тис. тонн на рік високоякісних композиційних в'яжучих БШВ, КВАГУ, КВАГУ-Б для дорожнього будівництва та брикетування вугілля для коксохімії. Використання гудрону, АЕС, кислого гудрону та нафтового шламу дозволило покращити екологічний стан навколишнього середовища. Співробітниками відділу виконано дослідження по одержанню дорожніх в'яжучих з нафтопро-дуктів з високим вмістом парафінів та відходів, що накопичились на території Дрогобицького НПЗ. Розроблено рецептури високоякісних композиційних дорожніх в'яжучих КВ, а також рецептуру рід-кого емульсійного композиційного в'яжучого КВЖ, що використовуються для чорніння щебеню та одержання покриттів змішуванням на дорозі. Запропоновано оригінальний технологічний процес. На Дрогобицькому НПЗ вперше за всю історію його існування освоєно промисловий випуск в'яжучих для дорожнього будівництва потужністю 20 тисяч тонн на рік.

Загалом виготовлено сотні тисяч тонн в'яжучих БШВ, КВАГУ, КВАГУ-Б, КВ і КВЖ. До-свід експлуатації дорожніх покриттів з використанням в'яжучих КВ показав, що вони не поступа-ються покриттям на основі кращих бітумів марки БНД. Промислова реалізація технологічних про-цесів одержання композиційних в'яжучих з використанням суперкавітаційних апаратів дозволяє в 20-50 разів зменшити капіталовкладення і в кілька разів скоротити строки створення установок, в 3-5 разів зменшити енерговитрати, утилізувати кислі гудрони, нафтові шлами, відходи та практич-но виключити шкідливі викиди в атмосферу.
Досвід роботи з побічними продуктами та відходами нафтопереробки дозволив у травні 1986 року запропонувати засоби боротьби з пилоутворенням в зоні аварії на Чорнобильській АЕС. Для пилопригнічення на шляхах та територіях було рекомендовано застосовування відходів нафтопереробки. В умовах Чорнобилю була експериментально доведена доцільність використання нафтових шламів - при їх застосуванні утворюється просочений нафтопродуктами рухомий шар часток ґрунту, що запобігає пилоутворенню навіть при його руйнуванні колесами вантажівок. Було розроблено технічні умови на нафтові шлами та рекомендації по їх використанню для пилопригнічення. Тільки в травні-червні 1986 р. при участі співробітників відділу було використано більше 10 тисяч тонн шламів.
За завданням Мінчорнобиля України для використання на ЧАЕС розроблено оригінальний синтетичний миючо-дезактивуючий засіб, що дозволяє в холодній воді (від +5 оС) проводити дезактивацію і прання білизни та одягу. Була розроблена технологія його виробництва, виготовлено і передано для ви-користання в СП "Комплекс" дослідну партію нового синтетичного миючо-дезактивуючого засобу.
Відділом запропоновано альтернативні джерела сировини для одержання технологічних мастил, що використовуються в процесах волочіння стального дроту. Одержано оригінальний технологічний матеріал, що за експлуатаційними показниками в 1,5-2 рази переважає стандартні, розроблено технологічний процес виробництва, на Дніпропетровському метизно-виробничому об'єднанні і успішно проведено випробування.

На замовлення Мінмонтажспецбуду розроблено принципові положення одержання захисного гідрофобного покриття картонно-паперових повітропроводів для використання в опалювальних та вентиляційних системах. Розроблено оригінальну рецептуру та спосіб одержання покриття із неутилі-зованих відходів, створено технологію нанесення його на картонно-паперові труби. Дослідна партія повітропроводів успішно пройшла випробування.
Дослідження і розробка емульгаторів та інгібіторів знайшли продовження в роботах по створенню рецептур і технологій інгібіторів корозії нафтопромислового обладнання. Базуючись на результатах дослідження залежності між співвідношеннями кислотних та амінних груп, гідрофільно-ліпофільним балансом системи та характером середовища, розроблено рецептури інгібіторів нафто-промислового обладнання для середовищ без сірководню Дорад-11 та із сірководнем - Дорад-1ВЦ. Їхні експлуатаційні характеристики суттєво перевищують характеристики відомих інгібіторів, а вар-тість - в 2 рази менша. Вивчено закономірності взаємодії кубових залишків СЖК з поліетилен-поліамінами, етилендіаміном, амінонітрилом і розроблено технологічні процеси одержання інгібі-торів на Дрогобицькому НПЗ. Партії інгібіторів Дорад 1ВЦ випробувані в НГВУ "Бузулукнафта" і показали високу ефективність. Випробування в Полтавському НГВУ показало доцільність застосування Дорад-11.

У 1992 р. було розпочато розробку технології дослідно-промислового виробництва аналогу азидотимідину (Теозидину) - препарату для лікування ВІЛ-інфікованих. Розроблено методи постадій-ного контролю, виконано оптимізацію стадій синтезу Теозидину за маршрутом: глюкоза - дезоксирибоза - тимідин - Теозидин. Одержано тимідин, що не поступається тимідину фірми "Флюка". Було проведено доклінічне вивчення Теозидину, розроблено тести для його ідентифікації, досліджено його специфічну дію та гостру токсичність. Головний висновок - "за своєю інгібуючою активністю вітчиз-няний препарат не відрізняється від Ретровіру", а також "можна констатувати схожість симптоматич-них виявлень відповідних реакцій на гостру токсичну дію субстанції АЗТ (Теозидину) та лікувального засобу Ретровір". ДержНДІхімфармпроектом було проведено передпроектну проробку розміщення дослідно-промислового виробництва Теозидину. Була досліджена сировинна база, узгоджена концепція виробництва, розроблені принципові технологічні схеми, показана доцільність розміщення виробництва на Черкаському заводі хімічних реактивів, визначено основні хіміко-технологічні показники і одержано принципову згоду заводу на розміщення дослідно-промислового виробництва Теозидину. Було показано, що вартість 1 кг Теозидину, синтезованого виключно на імпортній сировині, не пере-вищить 5,0-5,6 тис. дол. США. В той час, як вартість 1 кг Ретровіру, що виробляє фірма "Велком", складала 14,5-14,8 тис. дол. США, Тимазиду (виробництва російської асоціації "АЗТ") - 6-10 тис. дол. США за 1 кг. Таким чином, виробництво вітчизняного Теозидину мало заощадити Україні від 2 до 9 тис. дол. США на кожному кілограмові препарату.
Було розроблено раціональний синтез Д4Т - препарату для боротьби із СНІД, запропоновані методи контролю процесу, розроблено технологічні регламенти, створено лабораторні установки і напрацьовано зразок Д4Т для доклінічних випробувань, вивчено противірусну активність препарату.

На жаль, через нерозуміння важливості досягнутих результатів по створенню технології вітчи-зняних інгібіторів ВІЛ-інфекції з боку керівництва Комітету по боротьбі із захворюванням на СНІД (проф. Кордюм В.А., Співак М.Я.) фінансування робіт по розробці дослідно-промислового виробниц-тва АЗТ та Д4Т було припинено - покладено край дуже важливому напрямку роботи. Про його перс-пективність свідчить нагородження у 2000 р. Державною премією Росії Кононова О.В. (бувшого спів-робітника відділу) за створення російського аналогу АЗТ.
На початку 80-х років було одержано (1,1-діоксотіолан-3-іл)дитіокарбамат калію, в синтетичному відношенні - аналог тетраметилтіурамдисульфіду.

Сполука в подальшому отримала назву Сульфокарбатіон-К (СКК). В подальшому тому, що з багатьох тисяч синтезованих сполук лише одиниці долають біологічні, токсилогічні та екологічні тести, являються економічно конкурентноспроможними і знаходять практичне застосування. Це довготривалий і складний процес, що орієнтовно потребує 800-1000 людино-років, 30-40 млн. дол. США. В ході розробки досліджено перетворення реагентів при амінуванні 3-тіолен-1,1-діоксиду. Доведено, що лімітуючою стадією процесу є одержання 2-тіолен-1,1-діоксиду. Запропоновано оригінальні каталізатори процесу амінування, які дозволили прискорити реакцію в 6-8 разів, підвищити вихід і селективність. Було досліджено кінетичні закономірності, теплові ефекти реакцій, теплофізичні характеристики реакційної маси, створено адекватну математичну модель процесу. Знайдено оптимальні параметри: час процесу скорочено з 28-48 до 2-4 годин, тиск з 25-30 до 3-5 атм, вирішено питання рециклу аміаку. Експериментальна перевірка пока-зала, що вихід продукту підвищився з 76-80% до 93-98 %, а селективність з 76-86 % до 95-99 %.
Спроби напрацювання навіть невеликих партій Сульфокарбатіону-К довели, що відомі способи дитіокарбамінування через невисокий вихід, значну токсичність цільового продукту, утворення великої кількості відходів не можуть використовуватись для промислового виробництва препарату. Були виявлені умови високоселективного одержання дитіокарбаматів, доведена доцільність програмованого вводу вихідних інгредієнтів в зону реакції. Виконані дослідження привели до перегляду існуючих уявлень про механізм приєднання амінів до сірковуглецю. Описано закономірності дитіокарбамінування в реакторі зі змінною масою. Вирішено питання оптимального розподілу підводу реагентів. Розроблено оригінальні способи одержання СКК, спроектовано і освоєно комплекс модельних уста-новок, який дозволяє виробляти до 20 т СКК на рік. Препарат застосовано майже на 800 тис. га.

Сульфокарбатіон-К зареєстрований як протруювач насіння цукрових буряків, пшениці, кукурудзи, ячменю, ріпаку, гречки, проса, сходів картоплі. Він відрізняється високою ефективністю, способи використання СКК визнано винаходами. Мінагрополітики визначив потребу в препаратах цієї групи ( 3000 тонн). Впровадження СКК привело до інвестування в Україну понад 200 тис. дол. США. Всесвітньо відомими японськими компаніями "Санкіо Ко Лтд" та "Сумітомо Корпорейшн" офіційно визнано, що Сульфокарбатіон-К не поступається одній з найкраших їх розробок - протруйнику Тачигарену. За всю історію СРСР і незалежної України не було створено препаратів такого класу.

Модифікація СКК дозволила створити високоефективний антимікотик - лікарський препарат Теобон-дитіомікоцид і технологічний процес його одержання. Проведені дослідження нешкідливості та специфічної активності показали, що він значно безпечніший за більшість антимікотиків та антисептиків, пригнічує як хвороботворні гриби Candida albicans, Candida tropicalis, Trichophyton rubrum, Microsporum canis, …, так і цілий ряд бактерій кишкової та кокової груп. Проведені клінічні дослідження препарату показали, що він безпечніший і ефективніший від відомих клотримазолу та мікозо-лону, дозволяє на 25 % скоротити термін лікування. МОЗ України зареєстровано субстанцію Теобон-дитіомикоциду та дві готові лікарські форми на її основі (мазь та порошок для приготування розчину). Освоєно виробництво мазі Теобону-дитіомікоциду, виготовлено близько 10 000 упаковок препарату.

Серед засобів пасивного антикорозійного захисту одним із найбільш досконалих є застосування екструдованих поліолефінових покриттів. Їх вигідно відрізняють високі фізико-механічні, діелектри-чні та антикорозійні властивості. Однак ізоляційне покриття наносять на "гарячу" (150-220 С) трубу. Співробітниками відділу було створено оригінальні матеріали, що дозволяють наносити екструдоване поліетиленове покриття при 15-20 С. В лабораторних умовах експериментально доведено, що адгезія до сталі розробленого покриття перевищує норми показників ДСТУ 4219, ГОСТ Р 51164 та DIN 30670, перехідний питомий опір втричі більше нормативу (3,4 1010 Ом м2), радіус відшарування покриття за катодної поляризації складає 2-3мм при нормі до 11 мм, міцність під час удару перевищує 5 Дж/мм товщини покриття. Таким чином, розроблене покриття "холодного" нанесення за своїми характеристиками знаходиться на рівні кращих світових зразків.

Відділ обладнаний сучасними приладами для наукових досліджень - хроматографами, полярографами, спектрофотометрами, мостами змінного струму та ін. Співробітниками відділу розроблений, спроектований і збудований комплекс модельних установок, що дозволяє відпрацьовувати технологічні процеси та випускати укрупнені дослідні партії препаратів в апаратах об'ємом від 10 до 250 л під вакуумом і тиском до 100 кгс/см2 в широкому діапазоні температур. Є установки для підготовки теплоносіїв, перегонки, вакуумної та атмосферної ректифікації, розділу суспензій на центрифугах і фільтрах. Комплекс обладнаний санітарними колонами, які виключають шкідливі стоки та викиди.

Співробітниками відділу опубліковано 3 монографії, 270 статей та одержано більше 60 авторських свідоцтв, захищено 2 докторські та 8 кандидатських дисертацій.