Разработка, изготовление и испытание опытного образца установки на базе реактора полного смешения

Отчет 145 с., 115 рис., 4 табл., 6 прил., 1 том, 12 ист. ХЛАДАГЕНТЫ, ФРЕОНЫ, РЕАКТОР ПОЛНОГО СМЕШЕНИЯ, КОНДИЦИОНЕРЫ, ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ Цель работы заключается в разработке опытного образца установки на базе реактора полного смешения для моделирования опытного производства экологичных хладагентов из углеводородного сырья. В ходе выполнения настоящей НИОКР были успешно решены все задачи, стоявшей перед проектной командой согласно техническому заданию и календарному плану и получены следующие основные результаты: - разработана конструкторская документация для опытного образца установки на базе реактора полного смешения; - разработана программа и методика испытаний опытного образца установки на базе реактора полного смешения; - разработаны технические условия на опытный образец установки на базе реактора полного смешения; - изготовлен опытный образец установки на базе реактора полного смешения; - проведены испытания опытного образца установки на базе реактора полного смешения; - доработана конструкторская документация для опытного образца установки на базе реактора полного смешения по результатам испытаний. Продуктом проекта является опытный образец установки на базе реактора полного смешения. Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики представлены ниже: – Номинальная потребляемая электрическая мощность – 5 кВт. – Объём реактора смешения – 0,5 л. – Максимальная рабочая температура реактора – 450 °С. – Максимальное рабочее давление реактора – 60 бар. – Вязкость жидкой фазы в реакторе при 20 °С – 3 Па·с. – Максимальный расход сырья в жидкой фазе – 3 л/ч. – Максимальный расход сырья в газовой фазе – 3 нм3/ч. Продукт проекта предназначен для моделирования опытного производства экологичных хладагентов из углеводородного сырья. В настоящее время участниками проекта разрабатывается способ их получения (отличающийся от уже существующих). На сегодняшний день небольшие количества хладагентов на основе фтористых пропиленов уже синтезированы в лабораторных условиях. Имеется научный задел в прогнозирования их термодинамических и теплофизических свойств. Имеются предпосылки для разработки и реализации технологии их производства. Ряд российских предприятий, в том числе ПАО «Газпром» располагает сырьем для производства новых экологичных фторуглеродных хладагентов, удовлетворяющих международным требованиям. Производство хладагентов из собственного сырья дает основание рассчитывать на его высокую экономическую эффективность и будет способствовать развитию бизнеса на рынке газопереработки. Выпуск хладагентов нового поколения даст возможность выхода не только на внутренний рынок, на рынки стран Таможенного Союза, а также других стран ближнего и дальнего зарубежья. Продукт проекта планируется для применения в качестве реактора полного смешения на нефте- и газоперерабатывающих комплексах ПАО «Газпром», ПАО «Роснефть» и других российских нефтегазовых компаниях. Для промышленной реализации производства новых экологичных хладагентов из природного газа и продуктов газопереработки предлагается технологическая цепочка: природный газ – выделение этана и пропана – производство этилена – производство гидрохлорпропиленов - производство гидрофторпропиленов заданного состава. Основной производственной площадкой для ее реализации могут служить Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) и Оренбургский газоперерабатывающий завод (ОГПЗ), принадлежащие ПАО «Газпром» и входящие в ООО «Газпром добыча Оренбург». Основным сырьем может быть газ Оренбургского газоконденсатного месторождения (ГКМ) и Карачаганакского ГКМ (Казахстан), находящегося в 108 км по трубопроводу от Оренбургского ГПЗ (в газе содержится 6 % этана и 3 % пропана). Плановая цена реализации установки на базе реактора полного смешения составляет от 1 000 до 5 000 тыс. руб. в зависимости от производительности и комплектации. К 2025 году можно прогнозировать полный вывод R-22 из обращения и замену его на хладагенты 4-го поколения, что приведет к росту рынка хладагентов превысит 220 млн. долларов (при замене R-22 на хладагенты 4-го поколения на уровне 2020 года объем рынка составил бы примерно 180 млн. долларов США 2020 года), общий же тоннаж с учетом роста рынка увеличится до 31,5 млн. тонн (при замене R-22 на хладагенты 4-го поколения на уровне 2020 года тоннаж бы снизился до 22,5 млн. тонн). К 2030 году рынок хладагентов достигнет 300 млн. долларов и будет, в основном, закрываться за счет хладагентов 4-го поколения. При негативном сценарии (жестком переходе России на хладагенты без содержания фтора) к 2030 году рынок хладагентов все равно будет превышать 200 млн. долларов. В 2021-2022 гг. проектной командой планируется совместно со специалистами потенциального заказчика (ПАО «Газпром», ПАО «Роснефть» и их дочерние структуры) получение разрешительной документации на эксплуатацию установки на базе реактора полного смешения для моделирования опытного производства экологичных хладагентов из углеводородного сырья на промышленных объектах с целью проведения опытной эксплуатации, а также проведение маркетинговых мероприятий с целью наработки базы данных потенциальных партнёров и покупателей. Продукт проекта по научно-техническому уровню превосходит известные аналоги. К настоящему времени существует несколько разработок устройств (преимущественно с якорными мешалками) подобного назначения и аналогичной производительности. Однако, недостатками реакторов полного смешения с якорными мешалками являются ограниченная область применения из-за отсутствия возможности осуществления химических процессов в широком диапазоне температур и рабочих давлений, незначительный ресурс эксплуатации и недостаточная безопасность (при использовании агрессивных реагентов) из-за недолговечности сальниковых уплотнений вала, а также сложность конструкции, уменьшенный эффективный объем реактора из-за наличия приводного вала, на котором закреплен шнек с якорной мешалкой, и внутреннего теплообменника. Технический результат продукта проекта заключается в создании простого по конструкции, надежного и безопасного реактора смешения с длительным ресурсом его эксплуатации в широком диапазоне температур и рабочих давлений до 60 бар. Технический результат достигается тем, что в реакторе смешения, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, штуцеры ввода и вывода исходных реагентов и реакционной массы, контрольно-измерительное оборудование, мешалку, нагреватель, корпус снабжен фланцами выполнен из нержавеющей стали герметично соединен со съемной крышкой и съемным дном, съемное дно выполнено с углублением сферической формы, сообщенным каналом со штуцером ввода исходных газообразных реагентов, в корпусе размещен якорь магнитной мешалки, выполненный из нержавеющей стали, взаимодействующий с постоянными магнитами закрепленным на валу ротора частотно-регулируемого электродвигателя, размещенного под дном корпуса, на внешней цилиндрической поверхности корпуса установлен съемный регулируемый керамический нагреватель в виде разъемного кольца. Съемная крышка выполнена из нержавеющей стали. Съемная крышка выполнена из оргстекла. Съемное дно выполнено из нержавеющей стали. Съемное дно выполнено из стеклотекстолита. В качестве постоянных магнитов использованы неодимовые магниты. Использование предложенного технического решения позволит расширить функциональные возможности реактора, поскольку в нем можно проводить процессы в широком диапазоне температур и рабочих давлений. Простая и надежная конструкция увеличивает ресурс эксплуатации реактора, а также повышает безопасность при использовании агрессивных реагентов. Применение магнитной мешалки позволяет эффективно использовать объем реактора, гарантирует активное перемешивание реакционной массы, повышенную мощность теплосъема, уменьшение время пребывания реакционной массы в реакторе. Изготовленный опытный образец установки на базе реактора полного смешения, по результатам испытаний показал работоспособность и эффективность предложенной конструкции. В ходе выполнения настоящей работы была подана одна заявка на регистрацию патента на изобретение. К настоящему моменту получено уведомление о положительном результате формальной экспертизы заявки на изобретение «Реактор смешения».