Инновации в химической промышленности: примеры и перспективы
Мировая химическая промышленность давно сделала ставку на наукоемкие технологии, которые позволяют сократить потребление сырья и ресурсов, уменьшить количество отходов и снизить нагрузку на экологию. В связи с этим по всему миру внедряются новейшие способы вторичной переработки и утилизации отходов химических производств, а химические предприятия используют отходы и альтернативные источники энергии для обеспечения своей работы. Рассмотрим основные направления инноваций в химической промышленности.
Автоматизация и искусственный интеллект
Передовая автоматизация процессов и молекулярный дизайн с использованием искусственного интеллекта повышают эффективность химических компаний. Эти технологии сводят к минимуму отходы, оптимизируют производство и делают его более безопасным.
Оптимизация процессов. Алгоритмы на основе искусственного интеллекта непрерывно анализируют данные о химических процессах в реальном времени, выявляя скрытые паттерны и неэффективность.
Предиктивное обслуживание. Инструменты искусственного интеллекта непрерывно собирают данные о работе оборудования для химической переработки. Это позволяет заранее обнаружить аномалии, которые могут привести к сбоям.
Контроль качества. Системы на базе искусственного интеллекта оценивают качество продукции, анализируя данные химического производства.
Модели глубокого обучения анализируют сложные химические структуры и предсказывают реакции, что ускоряет и уточняет процесс открытий. Алгоритмы с обучением подкреплением оптимизируют химические процессы, улучшая принятие решений на основе данных в реальном времени. Цифровые двойники создают виртуальные модели химических заводов для оптимизации процессов.
Применение искусственного интеллекта в химической промышленности
Osium AI - это стартап, предлагающий программную платформу на базе искусственного интеллекта для разработки материалов и химических веществ. Платформа обладает расширенными аналитическими возможностями, оптимизированным дизайном экспериментов, а также позволяет усовершенствовать процессы для снижения затрат и выбросов.
«Промышленные компании осознают, что управленческое решение должно основываться на корректных данных. «Проекты по внедрению отечественного ПО для оптимизации сложных процессов на химпроизводстве с помощью предиктивной аналитики - показательный пример того, что российские технологии по эффективности и надежности не уступают западным. Один из таких проектов - внедрение экспертами К2Тех совместно с вендором CyberPhysics платформы предиктивной аналитики на химпредприятии «ГалоПолимер».
«Тренд в сфере Искусственного интеллекта - это применение генеративного ИИ или больших языковых моделей (LLM). Их использование в промышленности может принести качественно новые возможности для повышения эффективности бизнеса.
3D-печать в химической промышленности
3D-печать позволяет изготавливать на заказ химические компоненты и катализаторы. В аддитивном производстве используются технологии SLS, FDM и SLA. С их помощью создаются сложные химические компоненты и устройства слой за слоем. Эта технология также помогает сократить количество отходов и повысить эффективность производства.
Индивидуальные детали оборудования. Цифровые модели помогают создавать детали для оборудования химической промышленности по индивидуальным заказам.
Разработка катализаторов. 3D-печать позволяет создавать катализаторы с улучшенными характеристиками, такими как иерархическая пористость или индивидуально подобранная площадь поверхности.
Быстрое прототипирование. С помощью аддитивного производства можно быстро и точно создавать прототипы химического оборудования, например реакторов или смесителей.
Стартап Xolo использует технологию 3D-печати - ксолографию. В ней применяется свет с двойной длиной волны, чтобы создавать структуры высокого разрешения в фотополимерных смолах. Фотоинициаторы компании Xolo преобразуют высоковязкие материалы в ксолографические составы. Они обеспечивают полимеризацию при пересечении двух различных длин волн света, что позволяет создавать детализированные структуры.
Дополненная и виртуальная реальность
AR использует голографические дисплеи и данные в реальном времени для управления процессами и мониторинга безопасности. VR создаёт погружающие среды моделирования с использованием 3D-моделирования и пространственных вычислений.
Учебные симуляторы. AR и VR создают виртуальную химическую среду для обучения сотрудников. Это позволяет им получить практические навыки, не подвергаясь опасности.
Удаленная помощь. С помощью AR технические специалисты могут удалённо получать помощь экспертов в диагностике системы, калибровке или устранении неисправностей сложного химического оборудования.
Визуализация процессов. Инженеры-химики используют VR для визуализации и взаимодействия с 3D-моделями химических процессов и оборудования.
Стартап Immersafety из Индии предлагает VR-модули для обучения химической безопасности. Технология Immersafety погружает обучаемых в интерактивные симуляции, где они могут отработать навыки обращения с химическими веществами и реагирования на чрезвычайные ситуации.
Аналитика больших данных
Производители химической продукции обрабатывают и анализируют данные из различных источников с помощью передовых технологий. Аналитика больших данных непрерывно отслеживает производительность оборудования и состояние завода благодаря интеграции с IoT-устройствами и датчиками.
Оптимизация процессов. Аналитика больших данных в реальном времени анализирует данные разных этапов химического производства и выявляет проблемы. Производители, зная о них, могут точнее распределять ресурсы, сокращать отходы и снижать затраты.
Открытие новых материалов. С помощью сложных химических данных, аналитики и больших данных можно быстрее открывать новые материалы. Они помогают найти потенциальные соединения и предсказать их свойства без физических испытаний. Это экономит время и деньги на научные исследования и разработки.
Мониторинг безопасности. Мониторинг данных с датчиков на химических предприятиях позволяет выявлять потенциальные угрозы безопасности.
Канадский стартап Telescope Innovations создал инструмент DIRECTINJECT-LC, который преобразует автономный анализ ВЭЖХ в онлайн-анализ химических реакций. Система непрерывно отбирает пробы из реакционных сосудов и отправляет их на внешний прибор для жидкостной хроматографии. Инструмент также анализирует сложные химические процессы, включая твёрдо-жидкие суспензии, двухфазные системы и криогенные превращения. Это позволяет детально профилировать и оптимизировать реакции.
Блокчейн
Блокчейн делает процессы в химической промышленности более прозрачными, безопасными и эффективными. Он обеспечивает децентрализованное и надёжное хранение данных о транзакциях.
Прозрачность цепочки поставок.
Управление соответствием. Блокчейн помогает безопасно вести записи, которые защищены от несанкционированного доступа. Это упрощает обработку данных о соблюдении нормативных требований, таких как экологические отчёты и аудиты безопасности.
Защита интеллектуальной собственности. Децентрализованная бухгалтерская книга защищает интеллектуальную собственность химических компаний, регистрируя и маркируя по времени запатентованные формулы и инновации.
Индийский стартап Blockceuticals разрабатывает систему управления цепочками поставок на основе блокчейна. Система собирает и отслеживает данные в реальном времени и записывает их в блокчейн-бухгалтерию, где они хранятся неизменяемыми. Также она отслеживает местоположение, условия окружающей среды и обработку продукта. С помощью аналитики данных и машинного обучения система выявляет аномалии и отправляет оповещения. Автоматизация процессов проверки и защита конфиденциальных данных упрощают соблюдение нормативных требований.
Экологически чистое производство
Например, улавливание, утилизация и хранение углерода (CCUS) помогают бороться с выбросами углекислого газа в атмосферу. Ещё одна перспективная область - использование сырья на биооснове вместо ископаемого топлива. Экологически чистое производство водорода расщепляет воду на водород и кислород с помощью низкоуглеродной энергии. Развитие технологий переработки, например химической переработки полимеров, позволяет извлекать сырьё из отходов.
Устойчивое производство. Используя солнечную и ветряную энергию, производители химикатов меньше используют ископаемое топливо и меньше выбрасывают углекислый газ.
Сокращение отходов. Решения CleanTech помогают химическим компаниям использовать возобновляемое сырьё и перерабатывать биоматериалы, что снижает количество отходов на начальном этапе.
Энергоэффективность. Интеграция систем возобновляемых источников энергии и передовые методы управления энергопотреблением, такие как интеллектуальные сети и накопители энергии, оптимизируют энергопотребление на химических предприятиях.
Британский стартап Eutechtics разработал технологию EvoCarbon, которая превращает выбросы углекислого газа в карбоновые кислоты. EvoCarbon перерабатывает отработанные химикаты для повторного синтеза реагентов. Это снижает углеродный след от производства карбоновых кислот.
Интернет вещей (IoT)
Современные беспроводные датчики и аналитика данных в реальном времени позволяют точно контролировать производство на химических предприятиях. Мгновенный сбор и анализ данных помогают химическим предприятиям работать эффективнее, сокращать простои и увеличивать производительность.
Сбор данных в режиме реального времени. Интеграция датчиков на химических предприятиях позволяет получать данные о производственных показателях в реальном времени.
Удаленный мониторинг процессов. Возможность подключения позволяет удалённо следить за химическими процессами, что снижает количество сотрудников на объекте и повышает безопасность.
Автоматизация процессов.
Американский стартап Ramen предлагает решение NaaS для химических предприятий. Оно объединяет интеллектуальные устройства и IoT-системы на опасных объектах, используя радиосвязь CBRS и частотные диапазоны WiFi. Решение Ramen также мониторит условия окружающей среды в реальном времени и безопасно передаёт данные на химически активных участках.
Датчики собирают информацию о производственных процессах и обрабатывают её в реальном времени с помощью облачных платформ или пограничных устройств.
Мониторинг безопасности. IoT-устройства, встроенные в критически важное оборудование и опасные среды, непрерывно собирают и передают данные о безопасности.
Управление активами. Датчики IoT, интегрированные в оборудование предприятия, отслеживают его местоположение, состояние и производительность. Такой обзор в реальном времени помогает проводить техническое обслуживание, сокращать время простоя и продлевать срок службы оборудования.
Оптимизация процессов. IoT-системы собирают данные со всех этапов химического производства, чтобы анализировать эффективность процесса. Платформа использует IoT-устройства и обеспечивает мониторинг и контроль процессов в реальном времени.
Firewires OneIoT автоматизирует сбор и анализ данных с датчиков температуры, давления и химического состава. У платформы есть приборная панель для управления устройствами и выполнения обновлений по воздуху.
Робототехника
Коботы и дельта-роботы могут адаптироваться к работе и обучаться новым задачам самостоятельно.
Автоматизированная обработка материалов. Роботы облегчают транспортировку сырья и продукции, в том числе сыпучих веществ и чувствительных соединений, по химическим предприятиям.
Точное смешивание. Современные датчики и системы управления помогают роботам точно смешивать химические ингредиенты.
Операции в опасной среде. В опасных зонах, таких как места с высокими температурами, токсичными веществами или риском взрыва, используют роботов для защиты людей.
Британский стартап Chemify создаёт химический язык программирования. С помощью этого языка роботизированная платформа синтеза Chemify автоматизирует процесс химического синтеза.
Нанотехнологии
Нанотехнологии - это манипуляции с веществом на наноуровне. Нанокомпозиты, такие как полимеры, армированные углеродными волокнами (CFRP) и металлоорганические каркасы (MOFs), лёгкие и высокопрочные.
Передовые материалы. Благодаря нанотехнологиям можно создавать материалы с улучшенными свойствами: они прочнее, легче и устойчивее к высоким температурам.
Разработка катализаторов. Нанотехнологии создают более активные катализаторы с большой площадью поверхности.
Контроль загрязнения окружающей среды. Благодаря нанотехнологиям созданы материалы, которые могут улавливать и удалять мельчайшие загрязняющие вещества.
Продукты серии NCT снижают вязкость нефти, повышают её текучесть и плотность. Технология NCT помогает сделать транспортировку и переработку нефти более эффективными, не вызывая коррозии и отравления катализаторов.
Российский рынок
В России государственная поддержка химической отрасли направлена, в первую очередь, на наращивание производства и на повышение производительности за счет увеличение ресурсопотребления, а не на совершенствование технологий. Основной проблемой становится недостаточное финансирование исследований, из-за чего тормозится разработка и внедрение новых ресурсосберегающих технологий на производствах. Кроме того, требует решения вопрос утилизации побочных продуктов и отходов химических производств - в данный момент эффективного решения для этого вопроса нет. Большинство отходов химической промышленности не перерабатываются.
В 2023 году химпредприятия сфокусировались на поддержании безопасности и бесперебойности работ. В 2024 году акцент на сохранение непрерывности остается, однако основные задачи компаний уже зафиксированы в дорожных планах, стабилизируются производственные и бизнес-процессы.
Вышедшее постановление Правительства РФ №1912 ограничивает использование иностранного ПТК (программно-технического комплекса) АСУ ТП в отношении значимых объектов КИИ (критической информационной инфраструктуры). При этом на рынке РФ по части АСУ ТП еще недостаточно конкурентоспособных решений и продуктов. «В технологических процессах химической промышленности РФ, связанных с транспортом и распределением электрической энергии, по нашим данным, уже применяется прототип открытой АСУ ТП.
«72% предприятий, согласно исследованию К2Тех, считают ИТ ключевым фактором развития бизнеса и источником конкурентных преимуществ. При этом в сложных условиях сегодняшнего рынка возрастает количество кейсов миграции на отечественное ПО, что приводит к развитию российских продуктов, в том числе по части ИИ, MES, Big Data, частных облаков и открытой АСУ ТП.
MES в химической промышленности позволяет контролировать параметры технологических процессов, оперативно реагировать на любые отклонения, управлять распределением производственных задач между рабочими центрами.
По оценкам экспертов, со стороны промышленности спрос на облака в 2023 год вырос на 30% и продолжит расти в этом году.