НЕФТЕХИМИЯ, 2021, том 61, № 6, с. 796-807

УДК 544+665.6/.7+666.3

РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО

СЛОЯ ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ

КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И АДДИТИВНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Н. А. Аникеев¹, И. В. Сидельников¹, С. С. Чугунов²

¹ Акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке нефти»

(АО «ВНИИ НП»), Москва, 111116 Россия

² Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования

«Сколковский институт науки и технологий», Москва, 143025 Россия

^*E-mail: dorokhovvs@vniinp.ru

Поступила в редакцию 11 июня 2021 г.

После доработки 5 сентября 2021 г.

Принята к публикации 1 октября 2021 г.

Продемонстрирована возможность использования методов компьютерного моделирования и адди-

тивных технологий для производства новых материалов защитного слоя каталитических реакторов с

дизайном каналов, который невозможно получить другими традиционными способами, такими как

экструзия, штамповка и шликерное литье. В программной среде CAD подготовлен ряд 3D-моделей

пеллет материалов с заданной сложной геометрией сквозных каналов. Экспериментальные модельные

пеллеты напечатаны из керамического материала по технологии стереолитографии (STL). Проведены

сравнительные испытания функциональных характеристик экспериментальных пеллет и коммерческих

образцов-аналогов на прочность, истирание, аэродинамическое сопротивление и способность улавливать

механические примеси. Результаты выполненных работ позволили сделать вывод о целесообразности и

перспективности применения 3D-моделирования и аддитивной печати при разработке и производстве

высокоэффективных материалов защитного слоя, широко используемых в промышленности, в частности,

в каталитических реакторах гидроочистки нефтеперерабатывающих предприятий.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, лазерная стереолитография, механическая проч-

ность, материалы защитного слоя, аэродинамическое сопротивление, фильтрация

DOI: 10.31857/S0028242121060058

Стремительно растущее внедрение аддитивных

распространение цифровых технологий в про-

технологий (3D-печать) в различных сферах про-

ектировании (CAD), моделировании и расчетах

мышленного производства, по своей значимости,

(CAE), механообработке (CAM) [11-13]. Развитие

называют новой промышленной революцией [1-4].

технологий 3D-печати интенсифицирует разработ-

Новые технические возможности, которые откры-

ку новых материалов и видов продукции [14-16].

вает 3D-печать, уже оказывают существенное вли-

Установки аддитивного производства позволяют

яние не только на отдельные предприятия или от-

изготавливать прототипы и детали сложнейшей ге-

расли, но и на мировую экономику в целом [5-9].

ометрии, сверхпрочные легковесные конструкции

Технология аддитивного производства впер-

и функционально интегрированные изделия, ко-

вые была использована в конце 1980-х годов [10].

торые невозможно получить другими известными

Ускорению ее развития способствовало широкое

ранее методами.

796

АЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

797

(а)

(б)

Рис. 1. Пример используемых в промышленности материалов защитного слоя: (а) - высокопористые ячеистые материалы;

(б) - экструдированные сотовые материалы.

Многие нефтехимические компании по всему

Ведущие мировые производители катализато-

миру активно вкладывают средства в разработку

ров выпускают материалы защитного слоя, пре-

процессов на основе 3D-печати [17-19]. Несмотря

имущественно состоящие из оксида алюминия,

на высокую стоимость оборудования и расходных

алюмосиликата либо алюминиевых шпинелей

материалов, есть подтверждения экономической

(MgAl₂O₄). В меньших концентрациях присутству-

эффективности внедрения новых аддитивных тех-

ют оксиды Mg, Ca, Ti, Zr, K и Fe, которые могут

нологий. Развитие и усовершенствование адди-

быть специальными спекающими и упрочняющи-

тивных технологий, как и всех иных инновацион-

ми добавками или примесями в сырье [23].

ных направлений, сопровождается закономерным

Как правило, фирмы предлагают различные мар-

снижением стоимости оборудования и сырьевых

ки материалов для фильтрации сырьевых потоков,

материалов, что, в конечном счете, приведет к кон-

различающихся геометрией пеллет, пористостью

курентоспособности серийного производства вы-

и химическим составом. При этом фирмы предла-

сокомаржинальной продукции.

гают услуги по подбору оптимальных композиций

3D-технологии открывают новые перспекти-

загрузки фильтров разных марок в реактора пред-

вы в том числе и для производства катализаторов.

приятий, поскольку каждая марка считается подхо-

Имеются примеры успешного промышленного

дящей для фильтрации специфичных компонентов

использования

3D-принтеров катализаторными

потока. Наиболее известными производителями за-

компаниями. Так, Johnson Matthey выпускает ке-

щитных материалов являются Unicat (марки AFS,

рамические носители и каталитические системы,

UDC), Axens (марка АСТ), Topsoe A/S (марки ТК и

изготовленные с использованием методов

3D-

TK TopTrap), SINO CATALYST CO LIMITED (мар-

печати [20, 21]. На данном этапе развития 3D-

ка ADC), Crystaphase (марка CatTrap).

технологий безусловный интерес представляет ад-

На текущий момент в нефтеперерабатывающей

дитивное производство материалов защитного слоя

и нефтехимической промышленности широко ис-

с улучшенными функциональными свойствами

пользуются два типа пеллет защитных материалов

[22]. Основное назначение материалов защитного

активной фильтрации (рис. 1):

слоя в промышленных каталитических реакторах -

а) высокопористые ячеистые (с каналами, сфор-

улавливание частиц примесей из технологических

мированными случайным образом);

потоков. Эффективные защитные материалы долж-

б) экструдированные сотовые (с прямыми кана-

ны обеспечивать высокую степень очистки техно-

лами).

логических потоков в течение длительного време-

ни и не создавать значительного дополнительного

Для материалов типа (а) процесс закупоривания

гидродинамического сопротивления.

пор сложно предсказуем, для материалов типа (б)

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

798

НИКУЛЬШИН и др.

Таблица 1. Технические характеристики 3D-принтера Ceramaker 900 и очистной станции Cerakleaner

Характеристика

Значение

Ceramaker 900

Малая платформа 300×100×100 мм;

Рабочая поверхность для печати

Большая платформа 300×300×100 мм.

Источник света

УФ-лазер

Длина волны излучения

355 нм

Платформа варьируется от 10 до 125 мкм (в зависимости от состава

Толщина слоя при печати

керамики и условий печати)

Электротехнические требования

220-240 В/50 Гц, 2кВт

Cerakleaner

Компрессор с рабочим давлением 6 бар, расход до 10 м³/ч,

Система продувки воздухом

двухполосный пульверизатор

Электротехнические требования

230 В, 2.7 кВт

низка степень фильтрации примесей (особенно в

юся в удаление излишков связующего из каналов

начале эксплуатации). Технология 3D-печати по-

напечатанных заготовок, проводили специальным

зволяет создать защитный материал, лишенный

растворителем 3DCeram Sinto (состав не раскрыва-

недостатков обоих типов фильтров - с регулярной

ется) с использованием воздушного компрессора.

системой каналов сложной пространственной гео-

Характеристики 3D-принтера и очистной станции

метрии.

приведены в табл. 1.

Разработка новых дизайнов защитных мате-

Удаление из напечатанных пеллет органическо-

риалов, сочетающих развитую сеть внутренних

го связующего (выжигание) вели в печи Nabertherm

каналов, большой свободный внутренний объем,

L15/14/C450 (Германия) в атмосфере азота по ме-

заполняемый в процессе эксплуатации частица-

тодике производителя

3D-принтера

(3DCeram).

ми примесей, низкое гидродинамическое сопро-

После удаления связующего образцы спекали при

тивление и высокую механическую прочность -

температуре 1700°С в течение 10 ч в высокотемпе-

актуальная задача современного производства ка-

ратурной печи ThermConcept HTL 20/17 (Германия).

талитических систем. Цель данной научно-иссле-

Прочность изготовленных методом 3D-печати

довательской работы: оценка перспектив исполь-

цилиндрических пеллет испытывали на сжатие на

зования технологии 3D-печати для производства

автоматизированном прессе Instron 8801 (США),

керамических материалов защитного слоя.

позволяющим достигать сжимающее усилие до

100 кН (500 кгс/см²).

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ

Износостойкость пеллет (прочность к исти-

Для создания компьютерных 3D-моделей струк-

ранию) определяли по ГОСТ 13087-2018. Перед

тур каналов и пеллет защитных материалов было

испытанием тестируемый образец взвешивали на

использовано программное обеспечение FreeCAD

аналитических весах для определения исходной

[23] и коммерческий пакет CAD Autodesk Fusion

массы (m₀, г). На подложке испытательного стен-

360.

да закрепляли шлифовальную бумагу (ISO 9002) с

Печать экспериментальных пеллет выполнена

абразивным покрытием из SiC зернистостью 180.

на стереолитографическом принтере Ceramaker

Контакт образца с абразивным материалом обеспе-

900 (3DCeram Sinto, Франция). Для печати исполь-

чивался прижимным механизмом. Процесс исти-

зовали керамическую пасту, произведенную и сер-

рания торцевой поверхности пеллеты абразивным

тифицированную разработчиком оборудования -

материалом происходил при вращении подлож-

смесь порошка α-Al₂O₃ с комплексом органиче-

ки с постоянной скоростью в течение 30 мин. По

ских связующих. Постобработку, заключающу-

завершении испытания образец взвешивали для

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

АЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

799

определения конечной массы (m′, г). Потеря массы

образца (∆m = m₀ - m′) - характеристика износо-

стойкости.

Исследования микро- и мезопористой структу-

ры материала экспериментальных образцов прове-

дены с использованием порозиметра Quantachrome

Nova 1200e (США) методом низкотемпературной

адсорбции азота. Удельную площадь поверхно-

сти рассчитывали по модели Брунауэра-Эммета-

Тэллера (BET) при относительном парциальном

давлении Р/Р₀ = 0.05-0.30. Общий объем пор опре-

деляли при относительном давлении 0.995. Пло-

щадь и объем микропор (<3 нм) рассчитывали с

использованием моделей t-plot и α-plot в диапазоне

относительных давлений Р/Р₀ 0.30-0.60. Объем ме-

зопор и распределение пор по диаметрам опреде-

ляли по десорбционной кривой с использованием

модели Баррета-Джойнера-Халенды (BJH).

Сравнительные испытания экспериментальных

образцов пеллет и промышленных образцов-ана-

Рис. 2. Принципиальная схема стенда испытаний функ-

логов по их аэродинамическому сопротивлению

циональных свойств пеллет материалов защитного

и способности улавливать механические примеси

слоя: 1 - фильтр воздуха/датчик скорости потока газа;

из газовых потоков были выполнены на аэродина-

2 - воздушный компрессор; 3 - емкость для подачи

мическом стенде, принципиальная схема которого

механических примесей; 4 - аэродинамическая труба;

5 - сепаратор очистки потока от примесей; TC - термо-

представлена на рис. 2.

пара; PI -индикатор перепада давления.

Испытательный стенд во входной части имел

воздушный фильтр, совмещенный с датчиком рас-

хода воздуха (1), и компрессор (2). После компрес-

сии поток воздуха разделялся на две части. Часть

Для оценки фильтрующей способности экс-

потока направляли в емкость с механическими

периментальных образцов и образцов-аналогов

примесями (3) и использовали в качестве подпор-

(способности улавливать механические примеси

ного газа. Подготовленные для испытаний меха-

из газовых потоков) была приготовлена смесь из

нические примеси проталкивались по трубе и под-

SiC, SiO₂ и сажевой пыли в массовом соотношении

хватывались основным потоком воздуха. На входе

1.0:1.0:0.3. Размер частиц карбида кремния

в аэродинамическую трубу (4) был установлен со-

50 мкм, оксида кремния - 200-500 мкм, углеродной

товый выпрямитель потока. Смешанный с механи-

пыли - <50 мкм.

ческими частицами воздух пропускали через аэро-

динамическую трубу (4) с внутренним диаметром 5

Согласно найденным в литературе данным, в

см с установленным в ней образцом пеллеты, после

промышленных сырьевых потоках распростране-

чего воздух проходил через сепаратор (5) и сбра-

ны частицы размером ~300 мкм [25]; при этом осо-

сывался в атмосферу. Образец пеллеты размещал-

бое внимание уделяется частицам <100 мкм [26].

ся в зоне измерения дифференциального маноме-

Частицы пыли зачастую содержат соединениям

тра (PI) аэродинамической трубы испытательного

алюминия, кремния и углерода [23, 26].

стенда (рис. 2).

Для каждого опыта на испытательном стенде

Процедура тестирования аэродинамического

использовали навеску смеси 30 г (m_{примесь.исх}), ко-

сопротивления включала последовательное изме-

торую загружали в емкость (3) стенда.

рение перепада давления при различных скоростях

потока воздуха в интервале 10-50 кг/ч с интерва-

Последовательность операций испытаний филь-

лом 10 кг/ч.

трующей способности:

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

800

НИКУЛЬШИН и др.

- взвешивание исходного образца пеллеты

20 мм, что обеспечило достаточную степень кор-

(m_{пеллета});

ректности сопоставления характеристик опытных

- предварительная обработка образца дизель-

и промышленных образцов. Размеры для аддитив-

но изготовленных пеллет были выбраны исходя из

ным топливом (легкая фракция);

размеров имеющихся на руках у авторов коммерче-

- размещение образца пеллеты в аэродинамиче-

ских образцов, с которыми можно провести непо-

ской трубе (4);

средственное сопоставление.

- запуск компрессора со скоростью воздуха

Параметры внутренней структуры пеллет

30 кг/ч;

были подобраны с учетом ограничений техноло-

- подача аэрозоля воздуха с частицами механи-

гии 3D-печати, а именно, того, что минимальный

ческих примесей в аэродинамическую трубу в те-

размер каналов и степень детализации структуры

чение 90 мин до полного расходования навески из

зависят от разрешения принтера, свойств исполь-

емкости (3);

зуемого сырья и особенностей постобработки на-

- выключение компрессора и извлечение образ-

печатанного объекта, в частности, от технической

ца пеллеты из трубы;

возможности полного удаления неотвержденной

- сушка образца при температуре 200°C в тече-

пасты из каналов.

ние 3 ч с целью удаления дизельного топлива;

В виду сложной геометрии каналов планируе-

- взвешивание образца для определения массы

мых к печати пеллет и наличия в пеллетах пере-

уловленных им механических частиц (m_{пеллета+примесь});

сечений между единичными каналами, что ослож-

- пыль, прошедшую аэродинамическую трубу

няет процесс очистки, для моделирования было

(4) и попавшую в сепаратор (5), взвешивали после

принято значение диаметра канала 2 мм.

испытаний для контроля потерь.

Базовые геометрии каналов (краткое описание

Оценку эффективности улавливания пеллетами

и общий вид), на основе которых были построены

твердых частиц механических примесей проводи-

модели экспериментальных пеллет, представлены

ли по двум комплементарным характеристикам.

в табл. 2.

Степень фильтрации (X, %) определяли по формуле:

Для построения первичных геометрических

моделей пеллет были применены два методоло-

гических подхода. Первый подход заключался в

формировании элементарной ячейки, задающей

структуру каждого слоя модели, и ее копировании

Дополнительно рассчитывали удельную степень

в соответствии с заданным шаблоном. Во втором

фильтрации как количество уловленных частиц на

подходе изначальным объектом построения струк-

единицу объема пустого пространства пеллет:

туры являлся канал, который расставлялся в пло-

скости XY по заданному шаблону; затем из массива

вертикальных каналов выделяли периодическую

ячейку, копированием которой получали протяжен-

где V_пустот - объем пустого пространства пеллеты

ную структуру.

в см³.

Если объем пустот вертикальных каналов слож-

ной формы в общей структуре не достигал 50%,

Компьютерное моделирование

структуру пеллеты дополняли горизонтальными

экспериментальных образцов

каналами диметром 3 мм. Объемы пустот внутрен-

него пространства моделей пеллет защитных мате-

Компьютерное моделирование первичной ге-

ометрии экспериментальных пеллет. Внешние

риалов приведены в табл. 3.

геометрические размеры экспериментальных пел-

Аддитивная печать экспериментальных об-

лет в данной работе были выбраны аналогичными

разцов. Экспериментальные пеллеты материалов

размерам промышленно используемых пеллет-а-

защитного слоя цилиндрической формы с разной

налогов - цилиндры диаметром 50 мм и высотой

геометрией каналов были изготовлены методом ад-

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

АЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

801

Таблица 2. Первичные модели единичных каналов

Модель

Описание модели

Общий вид

Модель 1

Многослойные соты с гексагональными каналами. Высота каждого

слоя 4 мм и слои смещены друг относительно друга

Модель 2

Вертикальные ряды усеченных конусов, которые смещены друг

относительно друга в плоскости XY. Высота усеченного конуса 4 мм,

диаметр основания 8 мм, меньший диаметр 2 мм

Модель 3

Канал диаметром 2 мм в виде ломанной. Угол изменения направления

канала 45°

Модель 4

Спиральные каналы, закрученные по три вокруг общей оси. Спирали

имеют 1 полный виток на 10 мм высоты

Модель 5

Массив тетраэдров одинакового размера с длиной ребра 3 мм,

соединенных вершинами. Каналы образованы пространством между

тетраэдрами

Таблица 3. Объем пустот, прочность на сжатие и потеря массы при истирании аддитивно изготовленных образцов

пеллет и промышленных образцов-аналогов

Образец

Объем пустот, %

Прочность на сжатие, кгс/см²

Потеря массы при истирании ∆m, г

Модель 1

55.5

1268

0.01

Модель 2

56.4

169

0.01

Модель 3

56.4

477

0.01

Модель 4

53.7

451

0.01

Модель 5

57.9

129

0.01

Аналог 1

89.0

0.18

Аналог 2

92.5

0.08

Аналог 3

80.0

2.70

дитивной печати в соответствии с разработанными

Печать выполняли на платформе 300 × 100 мм по

и адаптированными под технологическое оборудо-

методике производителя 3D-принтера Ceramaker

вание компьютерными моделями (рис. 3). Геометри-

900 из сертифицированной керамической пасты

ческие размеры готовых пеллет: диаметр - 50 мм,

Al₂O₃ (3DCeram Sinto). Точные значения параме-

высота - 20 мм, толщина внешней стенки - 1 мм.

тров печати (скорость движения механических де-

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

802

НИКУЛЬШИН и др.

Рис. 3. Экспериментальные компьютерные модели цилиндрических пеллет (d = 50 мм, h = 20 мм) материалов защитного

слоя с внешней боковой стенкой (1 мм) для 3D-печати.

талей, скорость движения и шаблон траектории ла-

Высокая устойчивость экспериментальных об-

зерного луча по полимеризуемой поверхности слоя

разцов к истиранию практически исключает унос

пасты, толщина слоя, и др.) занесены в 3D-принтер

пыли и крошки материала пеллет с технологиче-

производителем оборудования в зашифрованном

ским потоком, тем самым, исключая защитные

виде.

материалы из списка потенциальных источников

дополнительного прироста гидроаэродинамиче-

После окончания печати пеллеты были очище-

ны от неотвержденной пасты, прокалены для уда-

ского сопротивления реакторного оборудования в

процессе эксплуатации.

ления органического связующего и подвергнуты

спеканию.

Запас прочности и высокая износостойкость

новых типов защитных 3D-материалов открывают

перспективу их многократного использования в

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

производственных процессах.

Испытания прочности экспериментальных

Исследования мезопористой структуры ма-

образцов показали, что пеллеты материалов защит-

териалов пеллет показали, что площадь поверх-

ного слоя моделей 1, 3 и 4 выдерживают нагрузку

ности образцов, полученных 3D-печатью, варьи-

на сжатие в 100 кН (максимальную для применен-

руется в диапазоне от 0.32 до 0.35 м²/г (табл. 4).

ного испытательного пресса). Разрушающие тесты

Близкую по величине площадь поверхности имеет

подтвердили высокую механическую прочность

образец-аналог 1. У образцов-аналогов 2 и 3 вели-

аддитивно изготовленных материалов защитного

чина площади поверхности двукратно выше.

слоя. Результаты прочностных испытаний приве-

дены в табл. 3. Сравнительное тестирование про-

Анализ изотермы методами t-plot, α-plot и BJH

мышленных образцов-аналогов показало безуслов-

показывает, что все исследуемые образцы непори-

ное превосходство экспериментальных образцов

стые, как аддитивно изготовленные, так и промыш-

по прочностным характеристикам относительно

ленные, что характерно для керамических матери-

высокопористых ячеистых пеллет (аналоги 1 и 2) и

алов после высокотемпературной обработки. В

сотовых экструдированных пеллет (аналог 3).

данном случае, процесс изготовления как экспери-

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

АЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

803

ментальных, так и коммерческих промышленных Таблица

4. Характеристики пористой структуры

пеллет, включал стадию спекания при температу-

экспериментальных образцов и образцов-аналогов

рах выше 1500°C, что объясняет схожесть характе-

Площадь

Образец

Объем пор, см³/г

ристик их пористой структуры.

поверхности, м²/г

Тестирования аэродинамического сопротив-

Модель 1

0.35

0.001

ления аддитивно изготовленных пеллет и коммер-

Модель 2

0.34

0.001

ческих аналогов показали, что представлены в

Модель 3

0.32

0.001

табл. 5. При проведении эксперимента было уста-

Модель 4

0.33

0.001

новлено, что среди всех испытанных образцов

Модель 5

0.33

0.001

наименьший перепад давления имеют пеллеты об-

Аналог 1

0.21

0.001

разца-аналога 3 и модели № 1. Образец-аналог 3

Аналог 2

0.80

0.001

Аналог 3

0.70

0.001

изготовлен экструзией и содержит только прямые

Таблица 5. Перепад давления как характеристика аэро/гидродинамического сопротивления опытных образцов и

образцов-аналогов

Перепад давления, кПа, при расходе потока

Образец

Общий вид каналов/образца

10, кг/ч

20, кг/ч

30, кг/ч

40, кг/ч

50, кг/ч

Модель 1

0.1

0.2

0.3

0.6

0.9

Модель 2

11.1

24.9

41.4

>50

Модель 3

0.2

0.8

1.8

3.1

5.1

Модель 4

1.4

5.6

12.2

18.9

26.4

Модель 5

0.3

1.4

3.2

5.7

9.3

Аналог 1

1.3

5.2

9.9

14.6

18.7

Аналог 2

4.8

9.0

20.7

31.7

44.6

Аналог 3

0.0

0.1

0.3

0.5

0.8

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

804

НИКУЛЬШИН и др.

Таблица 6. Характеристики фильтрации (способности улавливать механические примеси из газовых потоков) и

количество уловленных твердых частиц (по методу гравиметрии) экспериментальных образцов и образцов-аналогов

Улавливание примесей

Образец

Общий вид каналов/образца

∆m, г

X, %

∆m/V(пеллет), г/см³

Y, г/см³

Модель 1

2.3

7.6

0.06

0.10

Модель 2

1.2

4.0

0.03

0.05

Модель 3

2.7

8.9

0.07

0.12

Модель 4

2.9

9.5

0.07

0.14

Модель 5

2.4

8.1

0.06

0.11

Аналог 1

4.7

15.7

0.12

0.14

Аналог 2

3.8

12.8

0.10

0.13

Аналог 3

1.1

3.6

0.01

0.05

сквозные каналы высокой проходимости. Пеллета

проходить насквозь с незначительным сопротивле-

модели 1 состоит из слоёв прямых вертикальных

нием.

каналов с небольшим горизонтальным смещени-

Повышенное значение перепада давления в

ем, благодаря чему воздух практически беспрепят-

9.3 кПа при расходе потока 50 кг/ч для модели № 5

ственно проходит сквозь каналы.

обусловлено особенностями структуры, состоя-

В образце 3 перепад давления при скорости воз-

щей из соприкасающихся вершинами тетраэдров,

душного потока 50 кг/ч составляет 5.1 кПа. Пел-

в этом случае движение потока воздуха затруднено

лета модели 3 имеет каналы в форме ломанной с

множественными столкновенями с гранями тетраэдров.

круглым сечением, в которых количество областей

Высокие значения сопротивления (до 26 кПа)

с завихрениями невелико, в них также отсутству-

экспериментально получены для пеллеты модели

ют поперечные перекрытия, что позволяет воздуху

№ 4, каналы которой представляют собой тройные

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

АЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

805

спирали. Предположительно, воздушный поток в

разцами-аналогами отечественного и импортного

таких каналах может закручиваться и прижиматься

производства, применяемыми в настоящее время в

к стенкам каналов центробежной силой, что уве-

нефтегазопереработке. Первый опыт изготовления

личивает трение потока о поверхность керамики

методом 3D-печати алюмооксидных керамических

и, как следствие, увеличивает аэродинамическое

пеллет защитных материалов оказался достаточно

сопротивление. Близкие перепады давления зафик-

результативным и показал перспективность приме-

сированы для промышленного образца-аналога 1.

нения аддитивных технологий в этой области.

Высокое сопротивление в коммерческом образце

Было также показано, что аддитивно изготов-

создается перемычками сетчатой структуры.

ленные образцы с выбранной геометрией каналов

Высокая плотность сетчатой структуры об-

менее эффективны в фильтрации механических

разца-аналога 2 приводит к росту сопротивления

примесей, чем образцы-аналоги 1 и 2 с хаотичной

воздушному потоку до 44 кПа. Максимальные зна-

структурой каналов, но гораздо более прочные и

чения перепада давления при тестировании были

устойчивы к истиранию. По совокупности функ-

получены для пеллеты модели № 2 с каналами в

циональных свойств, а именно, по прочности,

виде рядов усеченных конусов, в которых создает-

устойчивости к истиранию, аэродинамическому

ся сильный противоток при ударе потока о гори-

сопротивлению и фильтрующей способности,

зонтальные перегородки - основания конусов.

предпочтительными из представленных в данной

Испытания фильтрующей способности экс-

работе образцов представляются модели 1, 3 и 4.

периментальных образцов и образцов-аналогов

Полученные результаты позволяют выбрать на-

(табл. 6) показали, что при сравнении величины

X образцы-аналоги 1 и 2 улавливают наибольшее

правления дальнейшего развития моделирования

количество пыли. Среди аддитивно изготовленных

и аддитивного изготовления высокоэффективных

пеллет больше всего пыли было уловлено образца-

защитных материалов и катализаторов с заданной

ми 4 и 3. Наименьшее количество пыли было за-

сложной внутренней структурой. На их основе

держано образцом № 2 и образцом-аналогом № 3.

авторами планируются улучшения в геометрии и

методе изготовления фильтров. В частности, по-

С целью лучшего сопоставления влияния гео-

скольку прочность аддитивно изготовленных пел-

метрии каналов пеллет на фильтрацию, была вве-

дена и сопоставлена величина Y. Аддитивно из-

лет значительно превосходит аналоги, планируется

готовленные образцы, с учетом меньшего объёма

развитие свободного объема и пористости пеллет

их внутренних пустот, демонстрируют результаты,

за счет снижения избыточной прочности.

сопоставимые с коммерческими образцами-анало-

Сфера применения инновационных защитных

гами 1 и 2. Образцы моделей 1, 3, 4 и 5 способ-

материалов не ограничивается использованием в

ны улавливать механические примеси лучше, чем

каталитических реакторах нефтегазопереработки,

коммерческий образец-аналог 3, произведенный по

а может быть расширена на металлургическую от-

технологии экструзии.

расль, водоочистку, газоподготовку и пр.

Малоэффективными в тестовых испытаниях

оказались опытный образец модели 2 с каналами

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

в форме вертикальных рядов сонаправленных усе-

ченных конусов и образец-аналог 3 с прямыми ка-

Никульшин Павел Анатольевич, д.х.н., Web of

налами треугольного сечения.

Science ResearcherID D-5952-2014, ORCID: https://

orcid.org/0000-0002-3243-7835

ВЫВОДЫ

Дорохов Виктор Сергеевич, к.х.н., Web of

Science ResearcherID E-8474-2014, Российский

Выполненные сравнительные испытания меха-

индекс научного цитирования AuthorID 746854,

нических и функциональных свойств эксперимен-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2543-5540

тальных образцов пеллет материалов защитного

слоя, полученных 3D-печатью, показали ряд их

Овсиенко Ольга Леонидовна, д.т.н., Scopus

преимуществ по сравнению с промышленными об-

AuthorID 6504340501

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

806

НИКУЛЬШИН и др.

Рогозина Марина Викторовна, к.ф-м.н., Web of

Эскиндаров М.А., Масленников В.В., Масленников О.В.

Science ResearcherID K-8622-2013, ORCID: https://

Риски и шансы цифровой экономики в России // Фи-

orcid.org/0000-0001-5271-7810

нансы: Теория и Практика. 2019. Т. 23. № 5. С. 6-17.

Аникеев Никита Андреевич, к.ф-м.н., Рос-

10.

Hull C.W. Apparatus for production of three-dimensional

objects by stereolithography // Patent USА № 4575330A.

сийский индекс научного цитирования AuthorID

1984.

739082

11.

Ngo T.D., Kashani A., Imbalzano G., Nguyen K.T.Q.,

Сидельников Иван Владимирович, Российский

Hui D. Additive manufacturing (3D printing): A review

индекс научного цитирования AuthorID: 1122894

of materials, methods, applications and challenges //

Чугунов Святослав Сергеевич, Ph.D., Web of

Compos. Part B Eng. 2018. V. 143. P. 172-196. https://

Science ResearcherID AAJ-5585-2021, ORCID:

doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012

https://orcid.org/0000-0002-0670-8152

12.

Chen Z., Li Z., Li J., Liu C., Lao C., Fu Y., Liu C., Li Y.,

Wang P., He Y. 3D printing of ceramics: A review // J.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 4. P. 661-687. https://

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.013

интересов, требующего раскрытия в данной статье.

13.

Sachs E., Cima M., Cornie J. Three-Dimensional

Printing: Rapid Tooling and Prototypes Directly from a

CAD Model // CIRP Ann. 1990. V. 39. № 1. P. 201-204.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61035-X

Мальцева О.В. Развитие мирового рынка 3D-прин-

14.

Woodson T., Alcantara J.T., do Nascimento M.S. Is 3D

теров // Российский внешнеэкономический вестник.

printing an inclusive innovation?: An examination of 3D

2018. № 9. С. 88-97.

printing in Brazil // Technovation. 2019. V. 80-81. P. 54-

Зубков А. Третья промышленная революция. Адди-

62. https://doi.org/10.1016/j.technovation.2018.12.001

тивные технологии 3D-печати в наукоемких отраслях

15.

Shahrubudin N., Lee T.C., Ramlan R. An overview on

промышленности // Технологии в электронной про-

3D printing technology: Technological, materials, and

мышленности. 2015. № 7. С. 73-78.

applications // Procedia Manuf. 2019. V. 35. P. 1286-

Карпова Т. О развитии аддитивных технологий //

1296. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.06.089

Аддитивный технологии. 2018. № 3. С. 12-13.

16.

Wever U., Vitoux D., Gavranovic S., Hartmann D.

Hwa L.C., Rajoo S., Noor A.M., Ahmad N., Uday M.B.

Method, assistance system and 3d-printer for computer-

Recent advances in 3D printing of porous ceramics:

aided design of objects for additive manufacturing //

A review // Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2017.

Patent USA № 20190137974A1. 2017.

V. 21. № 6. P. 323-347. https://doi.org/10.1016/j.

17.

Grand designs: how 3D printing could change our world /

cossms.2017.08.002

Shell Global [Электронный ресурс]. URL: https://www.

Кудрявцева С.С., Карташов К.В. Роль аддитивных

shell.com/inside-energy/how-3d-printing-is-changing-

производственных технологий в системе открытых

the-world.html (дата проверки: 07.04.2021).

инноваций // Управление устойчивым развитием.

18.

3D Printing in the Oil and Gas Industry | GE Additive

2019. Т. 5. № 24. С. 24-29.

[Электронный ресурс]. URL: https://www.ge.com/

Макарова Е.В., Агеева Е.С., Бучнева А.Г., Музале-

additive/additive-manufacturing/industries/oil-gas (дата

ва М.А. Предпосылки развития 3D индустрии в Рос-

проверки: 07.04.2021).

сии и мире // Молодой ученый. 2016. Т. 28. С. 35-37.

19.

Ceramic 3D printing: additive manufacturing | Johnson

Конников Е.А. Экономические аспекты конверсии

Matthey [Электронный ресурс]. URL: https://matthey.

производственных технологий // Молодой ученый.

com/en/products-and-services/precious-metal-products/

2015. Т. 15. С. 385-391.

ceramic-additive-manufacturing (дата проверки:

Дресвянников В.А., Страхов Е.П. Рынки и инфра-

07.04.2021).

структура аддитивного производства и сбыта про-

20.

Coupland D.R., Phillips J.D., Winfield S. Catalyst

дукции // Теоретическая экономика. 2018. Т. 2.

manufacturing method // Patent USA.GB № 2536530A.

№ 44. С. 73-80.

2015.

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021

АЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ

807

21. Coupland D.R. Catalyst shaped unit and method of its

24. FreeCAD: Your own 3D parametric modeler [Электрон-

manufacture // Patent USA ЕP № 2752244A1. 2011.

ный ресурс]. URL: https://www.freecadweb.org/ (дата

22. Losic D., Lillo M., Losic D. Jr. Porous Alumina with

проверки: 07.04.2021).

shaped pore geometries and complex pore architectures

25. Купавых В.А., Мерзляков В.Ф., Валеев М.Д., Лысен-

fabricated by cyclic anodization // Small. 2009. V. 5.

ков А.В. Гранулометрический анализ механических

№ 12. P. 1392-1397. https://doi.org/10.1002/

smll.200801645

примесей в продукции нефтяных скважин и техно-

логия их фильтрации // Нефтегазовое дело. 2016.

23. Овсиенко О.Л., Дорохов В.С., Гусева А.И., Кривору-

ченко Д.С., Пугачёва Л.В., Сидельников И.В., Никуль-

Т. 14. № 1. С. 74-79.

шин П.А. Физико-химические и функциональные

26. Khan Wardag A.R., Hamidipour M., Schubert M.,

характеристики материалов и катализаторов защит-

Edouard D., Larachi F. Filtration and Catalytic Reaction

ных слоев гетерогенных процессов гидроочистки. I.

in Trickle Beds: The Use of Solid Foam Guard Beds To

Материалы активной фильтрации (МАФ) // Катализ

в промышленности. 2019. Т. 19. № 4. С. 316-328.

Mitigate Fines Plugging // Ind. Eng. Chem. Res. 2012.

https://doi.org/10.18412/1816-0387-2019-4-316-328

V. 51. P. 1729-1740. https://doi.org/10.1021/ie200955v

НЕФТЕХИМИЯ том 61 № 6 2021