Разработка и создание перфторированных диэлектрических жидкостей с повышенными эксплуатационными характеристиками для комплекса новых энергосберегающих видов высоковольтного электротехнического оборудования

Проведено исследование процесса получения перфторированных жидкостей методом электрохимического фторирования. Полученные данные будут использованы при разработке конструкции электролизера для модернизированных электрохимических установок.
Наработаны образцы перфторированных диэлектрических жидкостей (фожалина и перфтортрипропиламина) методом электрохимического фторирования на лабораторных установках.
Составлен перечень закупленного оборудования для модернизации лабораторных стендов и создания опытной установки для синтеза перфторированных жидкостей и проведена закупка заказанного оборудования.

Проводилась разработка технологий получения перфтораминов, как наиболее перспективных негорючих высокотемпературных перфторированных жидкостей. Перфторированные амины получались методом электрохимического фторирования (ЭХФ) простых третичных аминов в жидком безводном фтористом водороде.
В отчетный период продолжены опыты по подбору оптимальных условий электрохимического синтеза перфтортрипропиламина. При сохранении выхода по току сырца перфтортрипропиламина около 60% и содержании целевого продукта в сырце около 70% плотность тока удалось повысить с 0,04 до 0,06А/см2, что позволит в производственных условиях увеличить единичную мощность электролизера.
Наряду с перфтортрипропиламином и фожалином разработана технология получения перфтортрибутиламина, более высоко кипящей диэлектрической жидкости (около 180С). Определены оптимальные соотношения плотности тока и концентрации трибутиламина в электролите. Установлено, что оптимальная плотность тока электрохимического фторирования трибутиламина составляет 0,03А/см2, концентрация трибутиламина 5-6%. Отработаны условия выделения целевых продуктов нейтрализацией сырцов и их последующей ректификацией.
Разработан лабораторный технологический регламент получения перфторированных аминов.
Проведено исследование процессов получения полиэфиров электрохимическим методом и методом фотохимического синтеза.
При электрохимическом синтезе полиэфиров разработан метод анодной конденсации по Кольбе. В качестве исходного сырья использовались олигомеры гексафторпропиленоксида, а именно димер и тример гексафторпропиленоксида. Указанные олигомеры омылением переводились в соответствующие кислоты, которые затем подвергались электролизу. Состав электролита: 25% соответствующей кислоты (из них 10% нейтрализовано натриевой щелочью), 65% ацетонитрила, 10% воды. Электролиз проводился с применением анодов из стеклоуглерода при напряжении от 8 до 10В. При электролизе кислоты димера гексафторпропиленоксида выход полиэфира С10F22O2 67%, при электролизе кислоты тримера гексафторпропиленоксида выход полиэфира С16F34O4 - 80%. Наработаны образцы указанных эфиров в количестве около 250г первого и 100г второго эфира. Определены некоторые физико-химические свойства образцов: температура кипения С10F22O2 около 125С, С16F34O4 – около 216С, температура замерзания обоих образцов ниже минус 80С. Исходя из температуры кипения, наибольший интерес, как высококипящая диэлектрическая жидкость, представляет полиэфир С16F34O4 (полиэфир-216). Были определены его диэлектрические характеристики: диэлектрическая проницаемость 2,02, удельное объемное сопротивление
11013 Ом.м, электрический пробой 29кВ/мм. Полученные данные показали, что образец полиэфира-216 отвечает требованиям Технического задания.
Методом фотохимического синтеза получена смесь полиэфиров с температурой кипения около 240С. Наработан образец в количестве около 100г.
Проведена модернизация лабораторных стендов для определения диэлектрических характеристик перфторированных жидкостей. Стенды позволяют проводить исследование электроизоляционных (диэлектрических) и физико-химических свойств диэлектрических жидкостей. В качестве электроизоляционных свойств определяются электрическая прочность или напряжение пробоя, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери (tg ) и удельное объемное сопротивление. В качестве физико-химических свойств, наиболее важных для характеристики их применения в энергетических установках, определяются плотность и кинематическая вязкость в зависимости от температуры.

На лабораторной установке отработаны условия выделения перфторированных диэлектрических жидкостей методами нейтрализации и ректификации. Созданы лабораторные установки, на которых проведено исследование различных методов обработки перфторированных жидкостей с целью их тонкой очистки, в том числе обработка фтором в реакторе с высокооборотной мешалкой и циркуляционным контуром и взаимодействие продукта со щелочами и окислителями. На основании полученных данных разработана конструкция технологического реактора тонкой очистки перфторированных диэлектрических жидкостей. Подготовлена техническая документация на конструкцию реактора тонкой очистки (№ 160-291.000).

На лабораторных установках электрохимического фторирования проведены опыты по созданию перфторированных диэлектрических жидкостей с повышенными эксплуатационными характеристиками. В процессе исследований после выделения и очистки целевых продуктов наработаны и переданы на испытания в ФГУП «Всероссийский электротехнический институт имени В.И.Ленина» образцы фожалина и перфтортрипропиламина в количестве 3,4кг (1,85л) и 3,2кг (1,77л) соответственно.

Разработана программа испытаний лабораторных образцов перфторированных диэлектрических жидкостей в контакте с образцами изоляции, используемой в высоковольтном электротехническом оборудовании.

При отработке технологии получения перфторированных диэлектрических жидкостей было показано, что скорость электрохимического процесса определяется диффузионными ограничениями у поверхности анода электролизера и необходимо осуществление активного перемешивания электролита в зоне реакции, т.е. в области электродного пакета. Проведенные исследования по подбору оптимальных условий электролиза для каждого конкретного процесса электрохимического фторирования позволили перейти к разработке конструкции опытного электролизера.
Краткое описание выполненных работ:
разработан и изготовлен опытный унифицированный электролизер силой тока 2 кА для синтеза перфторированных жидкостей
В ФГУП «ВЭИ имени В.И. Ленина» проведены испытания лабораторных образцов диэлектрических жидкостей, наработанных ФГУП «РНЦ «Прикладная химия», которые показали, что жидкости перфтортрипропиламин и Фожалин удовлетворяют требованиям, предъявляемым к диэлектрикам, используемым в трансформаторах в качестве изоляционной и охлаждающей среды.
Разработан технологический регламент на создание опытной установки в цехе 210 Опытного завода ФГУП «РНЦ «Прикладная химия» для синтеза перфторированных жидкостей.

По этапу 5 – В цехе 210 Опытного завода ФГУП «РНЦ «Прикладная химия» на базе действовавшей ранее установки производства продукта МД-3Ф (перфтортриэтиламина) создана опытная установка для получения перфторированных жидкостей. Действующая ранее установка устарела, многие аппараты, в том числе и электролизеры, устарели и не пригодны для использования. Вновь изготовленное установленное оборудование: электролизеры силой тока 2 кА – 2 шт., конденсаторы фтористого водорода - 2 шт., аппараты приготовления корректирующего раствора -2шт., аппараты тонкой очистки жидких диэлектриков - 2 шт., компрессоры подачи азота - 2 шт. Реконструированное оборудование: холодильная машина на минус 70°С и холодильная машина на минус 30°С, парогенераторы. Пультовое управление установкой переводится с систем пневматического управления на компьютерное управление с заменой всех первичных датчиков и вторичных приборов.
Установка соответствует предъявляемым требованиям, а именно:
- установка с использованием 2-х конструктивно усовершенствованных электролизеров силой тока 2кА предназначена для наработки опытных партий диэлектрических жидкостей, в первую очередь перфторированных аминов (перфтортрипропиламина – ПФТПА, фожалина, перфтортрибутиламина – ПФТБА и других) в количестве 1-3т в год;
- установка позволяет производить жидкие перфторированные диэлектрики-теплоносители с различными температурами кипения и плавления для использования их в широком диапазоне рабочих температур при создании нового поколения высокоэффективных электротехнических устройств;
- настоящая установка явится первым этапом создания отечественного производства инертных негорючих диэлектриков-теплоносителей для применения в новых энергосберегающих видах высоковольтного электротехнического оборудования и замены применяющегося в настоящее время горючего и токсичного углеводородного сырья.
В настоящее время в России не существует производства перфторированных диэлектрических жидкостей с диапазоном их использования в области рабочих температур от минус 50 до +2160С.
Технология синтеза перфторсоединений методом электрохимического фторирования может быть внедрена на любом химическом предприятии, как, например, ФГУП «РНЦ «Прикладная химия», ОАО «Славгородское производственное объединение «Алтайхимпром», ОАО «Галоген», а также там, где имеются производства других фторсоединений, соответствующая инфраструктура и энергообеспечение.
Реализация продукции планируется на предприятиях электротехнической промышленности, при создании устройств на базе экологически чистого взрыво-пожаробезопасного интенсивного жидкостного охлаждения для авиации, скоростных поездов, для компьютеров нового поколения и др. с максимальным использованием существующего производственного оборудования предприятий.

Наработаны опытные партии диэлектрических жидкостей, определен ресурс их работы и эксплуатационные характеристики в реальном электрооборудовании. Разработан лабораторный регламент по фотохимическому синтезу перфторполиэфиров. Разработана техдокументация на создание опытно-промышленной установки получения перфторированных жидкостей.

Проведены испытания перфторполиэфиров в качестве диэлектрических жидкостей. Создана опытно-промышленная установка получения перфторированных жидкостей. Наработана опытно-промышленная партия диэлектрических жидкостей и проведено их испытание. Выполнена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов. Разработаны предложения по организации промышленного производства.