Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0109

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0109
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
Название доклада
Создание экспериментальной установки для глубокой электронно-лучевой конверсии высококипящего углеводородного сырья и её использование для прикладных исследований по деструкции высокомолекулярных парафинов
Докладчик
Макаров Игорь Евгеньевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Использование радиационного, в частности – электронно-лучевого, воздействия является одним из инновационных перспективных путей повышения эффективности процессов нефтепереработки. Это относится как к конверсии относительно легких газообразных углеводородов в более тяжелые, т.е. получению жидкого топлива и ценного химического сырья из природного газа и попутного газа нефтяных месторождений, так и к крекингу тяжелых нефтяных фракций. В настоящее время в числе первоочередных стоит вопрос о создании установок, обладающих необходимыми возможностями для фундаментальных и прикладных исследований, ориентированных на разработку на их основе промышленных электронно-лучевых технологий переработки нефтегазового сырья.
Цель настоящей работы – разработать и создать экспериментальную установку для глубокой электронно-лучевой конверсии высококипящих компонентов нефти на примере высокомолекулярных парафинов. Создание соответствующей установки предполагало решение следующих основных научно-технических задач: а) теоретический анализ процессов радиационно-термического крекинга и выработка оптимальных параметров установки; б) разработка схемы и комплектности оборудования; в) оптимизация параметров электронного источника; г) подбор радиационно-стойких конструкционных материалов и комплектующих; д) проведение наладки, испытаний, доводки и оптимизации работы установки; е) разработка и апробация методических принципов использования установки.
Актуальность и новизна исследования
Отработка оборудования для электронно-лучевой переработки тяжелых углеводородов, в том числе парафинов, имеет высокую актуальность с точки зрения: а) целесообразности расширения сырьевой и технологической базы топливной энергетики, в том числе за счет местных возобновляемых ресурсов для обеспечения теплом и электроэнергией населения и промышленности в регионах России, удаленных от индустриальных центров; б) необходимости повышения степени утилизации нефтяного сырья; в) высокой экономической, технической и экологической эффективности предлагаемых технических решений.
Исследования по созданию новой установки высокотемпературного радиолиза, отличающейся передовым комплексом управляющих воздействий (мощность дозы и поглощенная доза, энергия электронного потока, динамические условия конверсии, фазовое и компонентное распределение в реакционной смеси, прерывистый и непрерывный ввод электронного потока и др.) и новыми функциональными возможностями мониторинга параметров инициируемых превращений, проведены впервые.
В ходе апробации установки получены новые экспериментальные данные по конверсии углеводородов.
Описание исследования

Полный цикл работ по созданию экспериментального образца установки глубокой электронно-лучевой конверсии высококипящего углеводородного сырья, предназначенной для проведения  дальнейших прикладных исследований по деструкции высокомолекулярных парафинов, включал в себя следующие ключевые этапы:

1.Аналитический обзор современной научно-технической литературы по применению электронно-лучевых воздействий для конверсии нефтяных углеводородов и соответствующие патентные исследования.

2.Выбор и обоснование направлений исследований по электронно-лучевой конверсии высокомолекулярных парафинов (ЭЛКВП) и способов решения поставленных задач.

3.Разработка структурно-функциональной схемы экспериментального образца установки для электронно-лучевой конверсии высокомолекулярных парафинов.

4.Теоретические исследования по обоснованию разрабатываемых технических и технологических решений по установке ЭЛКВП, включая обоснование энергии пучка, мощности дозы, режимов конверсии.

5.Проведение работ по обоснованию и выбору комплектующих подсистемы хроматомасс-спектрометрической регистрации продуктов для экспериментальной установки ЭЛКВП

6.Параметрическое моделирование электронно-лучевой конверсии высокомолекулярных парафинов.

7.Теоретические исследования по обоснованию и детализации характеристик установки электронно-лучевой конверсии высокомолекулярных парафинов.

8.Разработка методики исследования процесса электронно-лучевой конверсии парафинов.

9.Разработка операционных процедур для установки ЭЛКВП.

10.Исследование, обоснование и отладка режимов функционирования подсистемы экспресс-анализа в зависимости от технологических условий эксплуатации разрабатываемой установки ЭЛКВП.

11.Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец установки ЭЛКВП в составе: функциональная схема, схема соединений, чертеж общего вида, инструкция по эксплуатации.

12.Изготовление экспериментального образца установки ЭЛКВП.

13.Разработка программы и методик испытания экспериментальных режимов ЭЛКВП.

14.Испытание экспериментального образца установки ЭЛКВП в стационарном и проточном режимах облучения.

15.Дозиметрические исследования пространственного распределения электронного пучка на экспериментальном образце установки ЭЛКВП.

16.Определение критических параметров работы подсистемы анализа конечных продуктов на установке ЭЛКВП в целях повышения продуктивности конверсии

17.Определение оптимальных эксплуатационных и конструкционных параметров ЭЛКВП, правил безопасности и радиационной защиты.

18.Наработка и исследование продуктов ЭЛКВП.

19.Разработка лабораторного технологического регламента электронно-лучевой конверсии высокомолекулярных парафинов.

20.Обоснование и выбор сырья и эталонных реактивов для установки ЭЛКВП.

21.Анализ потерь энергии на установке ЭЛКВП.

22.Исследование надежности и наработки на отказ установки ЭЛКВП в высокотемпературных условиях.

Из анализа литературы и патентных исследований были выбраны следующие актуальные ориентиры для создания установки:

  • использование ускорителя электронов в качестве источника излучения;
  • применение температур в реакционном сосуде не ниже 350°С, что обеспечит развитие цепного механизма конверсии сырья;
  • целевое получение бензиновых углеводородов, т.е. продуктов, которые отличаются от сырья по фракционному составу и имеют наибольший энергетический выход;
  • использование процессов, подавляющих накопление непредельных соединений;
  • оптимизацию ускорителя для высокотемпературных режимов облучения.

Созданная установка включает 18 блоков; основными ее элементами являются: ускоритель, радиационно-химический реактор, система подготовки обрабатываемого сырья и отбора проб, система анализа продуктов электронно-лучевой обработки углеводородного сырья, измерительная аппаратура. Использован модернизированный линейный электронный ускоритель LINS-02-500-EURF (1 кВт, 2-3 МэВ). 

Результаты исследования

Создан экспериментальный образец установки для электронно-лучевой конверсии высокомолекулярных парафинов, структура и функциональные параметры которой предусматривают возможность исследования и сопоставления разных вариантов конверсии, возможность эффективного поиска целесообразных технологических режимов. Реакционное оборудование установки предусматривает широкую вариативность экспериментальных условий конверсии, включая: а) возможность подачи и облучения тяжелых парафинов; б) организацию циркуляционного режима облучения сырья при повышенных температурах; в) совмещение зон с разным нагревом внутри реакционного сосуда; г) возможность селективного извлечения бензиновых углеводородов; д) совмещение режимов фрагментации ВМП, режима гидрирования/алкилирования и изомеризации продуктов этой фрагментации, а также возможность ввода вспомогательных реагентов для расширения ассортимента конечных продуктов; е) наличие газообразного углеводородного растворителя; ж) возможность использования горизонтального электронного пучка с высокой удельной мощностью дозы; з) организацию комбинированных вариантов охлаждения входного окна реактора и выпускного окна ускорителя; и) варьирование мощности дозы, поглощенной дозы, энергии электронов, температуры и газодинамического режима в реакционном контуре.

В результате проведенных экспериментальных исследований выявлена возможность расширять ассортимент товарных конечных продуктов, в частности, показано, что в зависимости от задач и типа сырья, продуктами конверсии могут являться жидкое моторное топливо (бензин и дизтопливо), разбавители для нефти, ингибиторы полимеризации и стабилизаторы топлива (фенольный деготь), высокооктановые добавки к топливу (алкил-производные, спирты и простые эфиры) и технические растворители. Получены новые знания в области физической химии (в частности, химии высоких энергий и радиационной химии), касающиеся электронно-лучевой конверсии парафинов: на примере радиолиза децена-1 впервые определен механизм радиационно-термических превращений линейных алкенов, возникающих при термодеструкции алкильных макрорадикалов; впервые показано синергетическое увеличение выхода бензендиолов в смесях парафинов с полифенолами (лигнином); доказано неаддитивное накопление оксигентатов в смеси парафин/кислород/вода.

Практическая значимость исследования
Результаты проведенной работы в рамках ПНИЭР могут быть использованы:
• в исследовательской практике как информативный и незаменимый инструмент для изучения электронно-индуцируемых высокотемпературных процессов (изучаемые параметры являются востребованными при разработке и создании химико-технологических процессов, инициируемых различными катализаторами, окислительно-восстановительными агентами, ионизирующим излучением, электромагнитными полями, температурой, акустическими и механохимическими воздействиями);
• при создании новых видов продукции топливного и синтетического назначения из нефтяных парафинов, а также технологий синтеза и модифицирования материалов на основе быстропротекающих процессов;
• в учебно-методическом процессе для подготовки молодых квалифицированных кадров, специализирующихся в области химии высоких энергий и химии быстропротекающих процессов;
• в общемировых и отечественных базах данных по кинетике быстропротекающих процессов и окислительно-восстановительным характеристикам короткоживущих реагентов.
Разработанная установка электронно-лучевой конверсии парафинов ориентирована на исследование путей получения высокооктановых углеводородов топливного ряда, а также различных алкил-производных. Установка может служить прототипом для разработки и создания опытных установок по переработке парафинов непосредственно на месте их извлечения, что увеличит степень утилизации нефтяного сырья.