В последнее время разработанный DODGEN с полной независимостью вихревой плёночный кристаллизатор был успешно включён в «Перечень передовых технологий, процессов и оборудования для трансформации и модернизации нефтехимической отрасли», опубликованный Китайской федерацией нефтяной и химической промышленности.
Это ознаменовало получение национального признания технологической компетентности DODGEN в области высокоточного производства химических материалов.

На сегодняшний день вихревой плёночный кристаллизатор DODGEN уже внедрён в промышленное производство электронного этиленкарбоната (EC) и занимает 56% доли внутреннего рынка.

Далее в статье будет представлен подробный анализ электронного карбоната и его низкоуглеродных технологий разделения.

【О карбонатах】

Классификация карбонатов

Карбонаты в основном делятся на циклические и линейные.

Циклические карбонаты:

Виниленкарбонат (EC, ethylene carbonate)

Пропиленкарбонат (PC, propylene carbonate)

Винилиденкарбонат (VC, vinylene carbonate)

Фторэтиленкарбонат (FEC, fluoroethylene carbonate)

Линейные карбонаты:

Диметилкарбонат (DMC, dimethyl carbonate)

Диэтилкарбонат (DEC, diethyl carbonate)

Метилэтилкарбонат (EMC, ethyl methyl carbonate)

Основные технологические маршруты

Электронный карбонат — это высокочистый и высокоэффективный химический материал, который широко применяется в передовых отраслях, таких как новая энергетика, электроника и автомобилестроение.

В качестве основного растворителя и добавки в электролитах литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов, электронный карбонат оказывает критическое влияние на проводимость электролита, срок службы батареи, её безопасность и себестоимость производства.

Отраслевые стандарты — DODGEN участвует в разработке нормативов, продвигая стандартизацию отрасли

В последние годы под влиянием развития сектора новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии китайская отрасль по производству электролитов демонстрирует стремительный рост. Однако система отраслевых стандартов всё ещё находится на этапе становления, что приводит к существенным различиям в качестве электронных карбонатов, представленных на рынке.

С целью содействия стандартизации DODGEN совместно с ведущими отраслевыми предприятиями приняла участие в разработке двух коллективных стандартов:

«Требования к экологической сертификации заводов по производству литиевых электролитов»

«Методические указания по расчёту углеродного следа литиевых продуктов: Электролит»

В таблице ниже представлены ключевые показатели качества электронных карбонатов, которые в настоящее время широко применяются на рынке:

Низкоуглеродные технологии разделения — технология плавления и кристаллизации DODGEN для повышения качества и снижения энергозатрат

Под влиянием стремительного роста продаж новых энергетических автомобилей и увеличения спроса на системы хранения энергии, объёмы поставок электролитов быстро растут. В 2022 году объём поставок электролитов в Китае достиг 891 тысячи тонн, что составляет 85,4% от мирового объёма. По прогнозам, к 2025 году мировой спрос достигнет 2,62 миллиона тонн, а к 2030 году превысит 8 миллионов тонн.

Однако в 2023 году производственные мощности Китая составили 4,29 миллиона тонн, при этом уровень их использования не превышал 40%. В краткосрочной перспективе избыточные мощности трудно утилизировать, поэтому отрасли предстоит выйти из кризиса за счёт технологических обновлений, оптимизации затрат и глобальной конкуренции.

Технология низкоуглеродного разделения DODGEN позволяет существенно повысить качество продукции электронного карбоната, одновременно значительно снижая энергопотребление и повышая конкурентоспособность отрасли.

Сложности традиционных технологий разделения

В настоящее время традиционный метод разделения электронных карбонатов — это ректификация. Однако при ректификации электронных карбонатов обычно возникают следующие сложности:

• Наличие азеотропов, например, диметилкарбонат (DMC) и метанол образуют азеотропную смесь. В современных технологиях используют вариационную ректификацию для обхода точки азеотропа, но это приводит к увеличению числа колонн, большему количеству примесей в продукции, высокому энергопотреблению и нестабильному качеству продукта.

• Небольшая разница в температурах кипения, например, у этиленкарбоната (EC) и примеси диэтиленгликоля разница в нормальном давлении составляет около 2 °C, что значительно увеличивает энергозатраты на разделение.

• Термическая чувствительность карбонатов — многие карбонаты легко разлагаются или полимеризуются при высоких температурах. Например, винилиденкарбонат (VC) чувствителен к температуре около 60 °C, и высокотемпературное разделение снижает выход продукта.

• Высокие требования к чистоте продукта — за исключением фторацетиленкарбоната (FEC), остальные электронные карбонаты должны иметь чистоту более 99,99%. При этом коэффициент разделения в ректификации уменьшается с ростом чистоты, что приводит к экспоненциальному увеличению энергозатрат при производстве высокочистых продуктов.

В ответ на трудности разделения электронных карбонатов компания DODGEN применяет технологию плавления и кристаллизации и комбинированный процесс плавления-кристаллизации с ректификацией вместо традиционных методов разделения.

Эти инновационные технологии позволяют не только повысить качество продукции, но и значительно снизить энергозатраты на производство, открывая новый путь для очистки электронных карбонатов.

В отличие от традиционной ректификации, которая основывается на различиях температур кипения основной и побочной составляющих для разделения, технология плавления и кристаллизации использует разницу температур плавления.

Движущей силой процесса является пересыщение или переохлаждение одного из компонентов в расплаве. Процесс делится на две стадии: кристаллизацию и «отпотевание».

Во время кристаллизации, при постепенном понижении температуры расплава, один из компонентов становится пересыщенным и начинает образовывать зародышеобразование, после чего кристаллы постепенно растут.

Однако в процессе роста кристаллов неизбежно включение и адгезия примесей из маточного раствора в крупные кристаллы, поэтому после этапа кристаллизации необходимо проведение «отпотевания» — дополнительного очищающего этапа для получения высокочистого продукта.

Для электронных карбонатов обычно требуется многоступенчатая поэтапная технология для достижения необходимой степени чистоты.

Преимущества технологии плавления и кристаллизации DODGEN

По сравнению с традиционной ректификацией технология плавления и кристаллизации обладает пятью ключевыми преимуществами:

Энергосбережение
Тепло плавления составляет лишь от 1/7 до 1/3 от тепла испарения при ректификации. С учётом высокого коэффициента обратной подачи и тепловых потерь в ректификационных колоннах, энергозатраты метода плавления и кристаллизации составляют всего 10–30% от энергозатрат ректификации.

Низкотемпературная операция
Процесс кристаллизации обычно проходит при низкой температуре и нормальном давлении, что исключает испарение и загрязнение материала, упрощает и повышает безопасность эксплуатации. Низкотемпературный режим снижает коррозию оборудования, что уменьшает эксплуатационные расходы и капитальные вложения.

Сверхвысокая чистота продукта
Позволяет получать продукты очень высокой чистоты. Теоретически разделительный коэффициент при плавлении и кристаллизации может быть очень высоким и не зависит от чистоты продукта. На практике достигается чистота свыше 99,999%.

Отсутствие растворителей
Для разделения изомеров и термочувствительных веществ ректификация требует десятков или даже сотен тарелок, высокого коэффициента обратной подачи и вакуумных условий. Эти условия жёсткие, предъявляют высокие требования к материалам и точности оборудования. Кроме того, в ректификационной кубе часто возникают углеродистые отложения, коксовые наросты и полимеризация, что снижает выход продукта и не позволяет достичь высокой чистоты. Технология плавления и кристаллизации избегает этих проблем, поскольку температура плавления веществ может отличаться на десятки градусов, что позволяет эффективно разделять вещества без добавления растворителей. Отсутствие растворителей исключает их загрязнение продукта и снижает затраты на их утилизацию.

Применимость к специализированным веществам
Для изомеров и термочувствительных веществ с учетом проблем кипения и термической нестабильности ректификация требует сложных условий, высокой точности и дорогостоящего оборудования, при этом всё равно возникают проблемы с выходом и чистотой продукта. Технология плавления и кристаллизации позволяет эффективно решать эти задачи, используя разницу в температурах плавления, которая часто составляет десятки градусов.

Анализ кейсов DODGEN

На сегодняшний день компания DODGEN реализовала несколько десятков промышленных проектов по технологии плавления и кристаллизации в области электронных карбонатов.

Ниже приведено сравнение традиционных методов разделения и технологии плавления и кристаллизации на примере этиленкарбоната (EC).

Производственный процесс этиленкарбоната (EC) заключается в реакции этиленоксида (EO) и углекислого газа (CO₂) в реакторе в присутствии катализатора. После реакции катализатор отделяется методом вспышечной десорбции, затем смесь поступает в колонну для удаления легких фракций, где получают промышленный EC. Промышленный EC далее очищается в ректификационной колонне до электронной чистоты.

Потребление пара на этапах разделения составляет в среднем от 1,2 до 1,8 тонн пара на тонну продукта.

Традиционный технологический процесс:
Реакция → вспышечная десорбция → колонна удаления легких фракций → колонна очистки

Основные недостатки традиционного процесса:

• Высокое потребление пара на этапе разделения

• Колебания чистоты продукта

• Большая занимаемая площадь оборудования

Компания DODGEN предложила клиенту модернизацию системы разделения, полностью заменив ректификационную систему (колонну удаления легких фракций и колонну очистки) на систему разделения методом плавления и кристаллизации.

После модернизации потребление пара на продукт снизилось на 70% — с 1,3 тонны пара на тонну продукта до примерно 0,3 тонны пара на тонну продукта.

Качество продукта значительно улучшилось: чистота достигла 99,998%, существенно повысилась степень удаления примесей.

Кроме того, площадь установки сократилась на 30%, что обеспечило годовую экономию почти в 10 миллионов юаней.

Подробные показатели энергопотребления приведены в таблице ниже: