Именная лаборатория ПАО «Уфаоргсинтез» «Технология нефтехимических процессов» кафедры «Нефтехимия и химическая технология»
В рамках стратегического проекта «Химическая сеть» в УГНТУ в тесном сотрудничестве с ведущим нефтехимическим предприятием РБ – ПАО «Уфаоргсинтез» 20 октября 2017 г. открылась уникальная лаборатория мирового уровня Именная лаборатория ПАО «Уфаоргсинтез» «Технология нефтехимических процессов» кафедры «Нефтехимия и химическая технология», позволяющая проводить учебные занятия и научные исследования по перспективным направлениям развития каталитических технологий нефтегазохимии.
Лаборатория является учебно-научно-исследовательским центром, не имеющим аналогов в РБ и России, оснащенным передовыми исследовательскими комплексами для осуществления пирогенетических и каталитических процессов, аналитическим, компьютерным и общелабораторным оборудованием. В лаборатории смонтированы четыре пилотные установки (учебно-научно-исследовательские комплексы) для изучения процесса пиролиза, исследования периодических процессов, в том числе каталитических, изучения непрерывных процессов со стационарным слоем катализатора и в режиме псевдоожижения. К установкам подключено газовое оборудование, подводящее углеводородные газы, азот, гелий, воздух и водород, оснащенное трехступенчатой системой безопасности.
Создание Лаборатории включало несколько важнейших этапов:
Лаборатория «Технология нефтехимических процессов» — это своеобразный завод в миниатюре, в стенах которого студенты и аспиранты вуза смогут пройти практическое обучение, прежде чем придут работать на производство. Студенты технологического факультета УГНТУ, обучающиеся на направлениях подготовки 18.03.01 «Химическая технология» профиль «Химическая технология органических веществ» (уровень бакалавриата) и 18.04.01 «Химическая технология» программа «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза» (уровень магистратуры) получили возможность воспроизводить на компактных пилотных установках реальные промышленные процессы и участвовать в создании новых катализаторов и материалов. Это обеспечивает повышение уровня подготовки студентов в области изучения процессов нефтегазохимических производств и оказывает существенную поддержку развитию научных исследований по современным и перспективным направлениям нефтегазохимии и основного органического синтеза.
Разработка концепции
На этом этапе в ходе совместной работы коллектива кафедры «НХТ» и специалистов ПАО «Уфаоргсинтез» для дальнейшего проектирования опытных установок были выбраны основные процессы получения нефтехимической продукции, реализованные на предприятии, и определены возможности использования будущих установок в учебном процессе и исследовательской деятельности. При этом часть опытных установок было решено спроектировать на базе УГНТУ, а часть – в составе базовой кафедры УГНТУ на ПАО «Уфаоргсинтез».
Проектирование лаборатории
Силами специалистов УГНТУ был разработан Дизайн-проект будущей учебно-исследовательской лаборатории. Комплексное проектирование было выполнено сторонними проектными организациями под контролем служб УГНТУ.
Проектирование опытных установок
Коллективом кафедры «НХТ» были разработаны принципиальные схемы и спроектированы опытные исследовательские комплексы, имитирующие производственные условия выбранных нефтехимических процессов. В состав каждого комплекса вошли как непосредственно реакторный блок, так и узлы подачи реакционных материалов и вывода продуктов, приборы регистрации параметров технологического режима, необходимая приборно-аналитическая база для осуществления физико-химических методов анализа, а также современные компьютеры и специализированное программное обеспечение для хранения и обработки полученных экспериментальных результатов.
Производство и монтаж исследовательских комплексов
Сроки изготовления и поставки уникальных установок на ПАО «Уфаоргсинтез» и в УГНТУ в совокупности составили не более 6 месяцев, монтаж установок занял около 2-х месяцев. Также было осуществлено комплексное оснащение будущего исследовательского центра лабораторной мебелью и рядом исследовательских приборов.
Пуско-наладочные работы
Пуск оборудования и отработка оптимальных технологических режимов были осуществлены совместными усилиями специалистов компании-производителя и сотрудников кафедры «НХТ».
Лаборатория «Технология нефтехимических процессов» — это своеобразный завод в миниатюре, в стенах которого студенты и аспиранты вуза смогут пройти практическое обучение, прежде чем придут работать на производство. Студенты технологического факультета УГНТУ, обучающиеся на направлениях подготовки 18.03.01 «Химическая технология» профиль «Химическая технология органических веществ» (уровень бакалавриата) и 18.04.01 «Химическая технология» программа «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза» (уровень магистратуры) получили возможность воспроизводить на компактных пилотных установках реальные промышленные процессы и участвовать в создании новых катализаторов и материалов. Это обеспечивает повышение уровня подготовки студентов в области изучения процессов нефтегазохимических производств и оказывает существенную поддержку развитию научных исследований по современным и перспективным направлениям нефтегазохимии и основного органического синтеза.
Обучение студентов в учебно-научно-исследовательском центре дает возможность выпускникам быть более подготовленными к приходу на рабочие места. В лаборатории студенты под руководством опытных преподавателей готовятся к будущей профессиональной деятельности: теоретически изучают базовые нефтехимические процессы и получают навыки практической работы на пилотных технологических установках.
Лаборатория открывает новые перспективы для инновационных разработок в области нефтегазохимии ─ создание новых импортозамещающих технологий и перспективных продуктов с необходимыми потребительскими свойствами.
Уникальные пилотные установки (учебно-научно-исследовательские комплексы), расположенные в Именной лаборатории ПАО «Уфаоргсинтез» «Технология нефтехимических процессов»
Установка LAB-SCALE PYROLYSIS UNIT для осуществления химико-технологического процесса пиролиза
Пиролиз в трубчатых печах является основным процессом производства этилена и пропилена в России. Реакция представляет собой термическое расщепление углеводородов при Т > 700°C.
В качестве сырья пиролиза используют углеводородные газы (этан, пропан, бутан), легкие бензиновые фракции, газоконденсаты, рафинаты каталитического риформинга, керосиновые и газойлевые фракции нефти. Ведутся работы по использованию в этом процессе нефти и нефтяных остатков. Более предпочтительно использование легкого сырья (газы С2, С3, С4, бензин, лигроин, керосин), поскольку оно обеспечивает больший выход целевых продуктов. Химический состав легкого сырья: парафины, нафтены и ароматические углеводороды.
Продукты пиролиза по агрегатному состоянию подразделяются на газообразные (пирогаз), жидкие (смола пиролиза) и твердые (кокс, сажа) вещества. Состав реакционной смеси сложен. В настоящее время идентифицировано около 300 наименований содержащихся в ней веществ.
Целевые продукты процесса пиролиза ─ низкомолекулярные олефины (этилен, пропилен). По масштабам потребления первое место среди продуктов пиролиза занимают этилен (С2Н4) и пропилен (С3Н6). К числу ценных побочных продуктов процесса пиролиза относят олефины (бутилены, пентены, изопентены, гексены и пр.), диены (дивинил, изопрен, циклопентадиен и пр.), ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы) и конденсированные соединения (нафталин, фенантрен и пр.).
Лабораторная установка предназначена для исследования процессов пиролиза с заданием и регистрацией всех параметров процесса с помощью специализированного программного обеспечения, установленного на компьютере, входящем в комплект поставки.
Установка оснащена модулем управления нагревателями, насосом, расходомером и системой аварийной сигнализации. Все элементы модуля управления выполнены в едином настроенном блоке и в процессе эксплуатации не требуют вмешательства со стороны пользователя.
Установка выполнена в климатическом исполнении УХЛ, категория размещения 4 по ГОСТ 15150 для эксплуатации в помещении при температуре окружающей среды от +1 °С до +35 °С и влажности до 80 % при 25 °С. Установка работает от сети переменного тока 220 В, частотой 50 Гц.
Технические характеристики установки LAB-SCALE PYROLYSIS UNIT для осуществления процесса пиролиза
|
Характеристика |
Значение |
|
Вес установки, не более, кг |
160 |
|
Высота установки, не более, м |
1,9 |
|
Максимальная рабочая температура в реакторе, °С |
850 |
|
Максимальное рабочее давление, бар. |
8,0 бар ≈ 8 атм. |
|
Установленная мощность электропитания, кВт |
12,0 |
|
Объем трубчатого реактора: - общий объем - рабочий объем |
7,6 мл 5,0 мл |
Для анализа сырья и продуктов процесса пиролиза используются газовые хроматографы Хроматэк-Кристалл 5000 (анализ пирогаза и водорода) и GC 8000 series (анализ жидких продуктов пиролиза, пиролизной смолы).
Для обработки данных используется персональный компьютер и соответствующее компьютерное обеспечение.
Установка R-201 Reactor System для изучения химико-технологических процессов в периодических условиях
Химико-технологические процессы подразделяются на периодические и непрерывные. При периодическом процессе все стадии проходят последовательно. Реагенты загружают в аппарат, а после окончания процесса из аппарата выгружают продукт ─ реакционную массу.
Реакторы периодического действия, как правило, используются в малотоннажных и вспомогательных процессах (синтез катализаторов, адсорбентов, пластификаторов, смазок, растворителей, ПАВ и вспомогательных веществ), а также фармацевтике. Такие процессы обладают следующими преимуществами: характеризуются большой гибкостью (в одном и том же реакторе можно получать разные продукты); реактор периодического действия предусматривает меньшие капиталовложения, чем реактор, работающий в непрерывном режиме.
Лабораторная установка предназначена для исследования периодических процессов органического синтеза как некаталитических, так и с использованием гомогенных или гетерогенных катализаторов с заданием и регистрацией всех параметров процесса с помощью управляющей станции. Все элементы модуля выполнены в едином настроенном блоке и в процессе эксплуатации не требуют вмешательства со стороны пользователя.
Установка выполнена в климатическом исполнении УХЛ, категория размещения 4 по ГОСТ 15150 для эксплуатации в помещении при температуре окружающей среды от +1 °C до +35 °C и влажности до 80 % при 25 °C. Установка работает от сети переменного тока 220 В, частотой 50 Гц.
Технические характеристики установки R-201 Reactor System для изучения процессов в периодических условиях
|
Характеристика |
Значение |
|
Вес установки, не более |
70 кг |
|
Размеры установки, не более, Ш*Г*В (ширина, глубина и высота) |
600 мм*500 мм*720 мм |
|
Максимальная рабочая температура |
230 °C |
|
Максимальное рабочее давление |
41 бар ≈ 41 атм. |
|
Установленная мощность электропитания |
3,5 кВт |
|
Объем реактора |
100 мл |
Лабораторный учебно-научно-исследовательский комплекс состоит из нескольких частей:
1. Реакционный блок ─ предназначен для проведения лабораторных экспериментов и представляет собой реактор, систему емкостей, каналов и кранов, измерительных приборов и модулей для подачи сырья, нагрева и перемешивания исследуемого реагента. Реакционная зона выполнена в виде периодического реактора объемом 100мл с мешалкой, максимальным давлением 41 атм. и максимальной температурой 230° C. Реактор выполнен из нержавеющей коррозионностойкой стали и оснащен мешалкой с магнитным приводом. Для учета расхода газового сырья комплекс оснащен термомассовым газовым расходомером
2. Модуль управления ─ предназначен для управления запускающими и регулирующими работу аппаратами реакционного блока и контроля его состояния, включает в себя шкаф управления с панелью управления, персональный компьютер и программное обеспечение (ПО) управления. Внутри шкафа смонтированы автоматы включения, реле, управляющие контроллеры и система управления контроллерами. Контрольные лампы и индикаторы состояния системы выведены на панель управления.
3. Аналитическое оборудование.
4. Персональный компьютер и соответствующее компьютерное обеспечение.
Лабораторный исследовательский комплекс может использоваться в многоцелевых экспериментах при изучении реакций периодического действия с постоянным перемешиванием (CSTR). Примеры нефтехимических процессов, которые можно осуществить в периодическом реакторе:
- олигомеризация и полимеризация олефинов;
- полимеризации полипропилена (возможность получения гомо-, блок-сополимера полипропилена):
- алкилирование бензола олефинами;
- гидроизомеризация н-парафинов;
- изомеризация и др.
Например, процесс алкилирования бензола пропиленом с получением изопропилбензола (кумола) на цеолитных катализаторах осуществляется при давлении Р = 15-30 атм., температуре Т = 100-200 °С. Необходима подводка сырья ─ пропилена и бензола, возможность продувки инертным газом, объем выхода продукта ориентировочно составляет V = 200-300 мл.
Для анализа сырья и продуктов процесса используются газовые хроматографы Trace GC (анализ бензола и реакционной массы алкилирования (РМА)) и GC 8000 series (анализ пропилена).
Установка R-301 Reactor System для изучения непрерывных каталитических процессов в псевдоожиженном слое катализатора
Непрерывные химико-технологические процессы протекают в непрерывно работающем реакторе. Подача сырья и выгрузка готовой продукции производятся непрерывно в стационарных условиях.
Эти процессы имеют следующие преимущества: более низкие по сравнению с периодическими процессами эксплуатационные расходы из-за отсутствия таких операций, как многократные загрузки и выгрузки аппаратов; легко поддаются автоматизации, что также снижает эксплуатационные расходы; устойчивость технологического режима, так как легко поддерживать постоянными параметры процесса. Это, в свою очередь, приводит к стабильности качества выпускаемого продукта.
Псевдоожижение ─ превращение слоя зернистого материала (в нашем случае катализатора) под влиянием восходящего газового или жидкостного потока в систему, твердые частицы которой находятся во взвешенном состоянии, и напоминающую по свойствам жидкость ─ псевдоожиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью псевдоожиженный слой часто называют кипящим слоем. Кипящий слой катализатора наиболее целесообразно применять в процессах, требующих частой регенерации катализатора; он широко применяется в промышленности нефтехимического синтеза, и, в несколько меньших масштабах, используется в технологии основного органического синтеза.
Кипящий слой отличается от неподвижного слоя скоростью процесса, устойчивостью работы слоя во времени, возможностью замены и регенерации катализатора, способами подвода и отвода тепла в зону катализа. Метод кипящего слоя позволяет повысить интенсивность работы катализаторов и облегчить эксплуатацию оборудования в результате:
- заметного снижения внутридиффузионных торможений, характерных для неподвижного слоя;
- снятия местных перегревов и переохлаждений контактной массы;
- снижения площади теплообмена в контактных аппаратах;
- отсутствия засорения пылью и постоянства гидравлического сопротивления;
- устойчивости к ядам и меньшей отравляемостью;
- компактности контактных аппаратов и легкости их автоматизации.
Основными недостатками кипящего слоя являются:
- наличие большого количества пылеулавливающих средств;
- истирание катализатора вследствие ударов и трения зерен друг о друга, о стенки реактора и теплообменника, элементы, помещенные в слое;
- наличие эрозии стенок аппарата, которая сильно зависит от абразивной способности зерен.
Лабораторная установка предназначена для исследования непрерывных процессов нефтехимического и основного органического синтеза на гомогенных и гетерогенных катализаторах с заданием и регистрацией всех параметров процесса с помощью управляющей станции. Все элементы модуля выполнены в едином настроенном блоке и в процессе эксплуатации не требуют вмешательства со стороны пользователя.
Установка выполнена в климатическом исполнении УХЛ, категория размещения 4 по ГОСТ 15150 для эксплуатации в помещении при температуре окружающей среды от +1 ℃ до +35 ℃ и влажности до 80 % при 25 ℃.
Установка работает от сети переменного тока 220 В, частотой 50 Гц.
Технические характеристики установки R-301 Reactor System для изучения непрерывных каталитических процессов в псевдоожиженном слое катализатора
|
Характеристика |
Значение |
|
Вес установки, не более |
150 кг |
|
Размеры установки, не более, Ш*Г*В (ширина, глубина и высота) |
1200 мм*600 мм*1500 мм |
|
Максимальная рабочая температура - реакционный блок - модуль сепарации |
600 0С 300 0С |
|
Максимальное рабочее давление - реакционный блок - модуль сепарации |
50 бар ≈ 50 атм. 10 бар ≈ 10 атм. |
|
Установленная мощность электропитания |
3,5 кВт |
|
Объем - реактора - сепаратора (каждого из двух) |
200 мл 1000 мл = 1 л |
Установка представляет собой проточную систему для исследования процессов в псевдоожиженном слое катализатора (в комплекте с аналитическим оборудованием и компьютерным обеспечением).
Лабораторный учебно-научно-исследовательский комплекс состоит из нескольких частей:
1. Реакционный блок ─ предназначен для проведения лабораторных экспериментов и представляет собой реактор, систему емкостей, каналов и кранов, измерительных приборов и модулей для подачи сырья, нагрева и перемешивания исследуемого реагента. Реакционная зона выполнена в виде проточного реактора объемом 200 мл, максимальным давлением 50 атм. и максимальной температурой 600 ℃. Реактор выполнен из нержавеющей коррозионностойкой стали. Для учета расхода газового сырья комплекс оснащен термомассовым газовым расходомером.
2. Модуль сепарации состоит из двух последовательных сепараторов: циклонного сепаратора и сепаратора. Циклонный сепаратор предназначен для очистки выходящих продуктов от мелких частиц катализатора. Сепаратор предназначен для разделения жидкой и газовой фаз. Сепараторы имеют следующие характеристики: объем – 1л., макс. Рабочую температуру – 300 ℃, максимальное рабочее давление – 10 бар ≈ 10 атм.
Лабораторный учебно-научно-исследовательский комплекс R-301 Reactor System предназначен для скрининга катализаторов и исследования процессов:
- изомеризации ксилолов с получением п-ксилола;
- дегидрирования парафинов;
- окислительного хлорирования этилена до дихлорэтана;
- окислительного аммонолиза пропилена с получением акрилонитрила;
- синтеза винилацетата взаимодействием уксусной кислоты с ацетиленом;
- окисления углеводородов, например этилена в окись этилена;
- окисления нафталина во фталевый ангидрид;
- получения хлорсиланов взаимодействием порошкообразного Si и его сплавов с НС1, СН3С1, С2Н5С1, С6Н5С1;
- прямого хлорирования углеводородов и хлоруглеводородов и др.
Установка R-302 Reactor System для изучения непрерывных каталитических процессов со стационарным слоем катализатора
Лабораторная установка ─ реакторная система R-302 ─ предназначена для исследования процессов органического синтеза на гомогенных и гетерогенных катализаторах с заданием и регистрацией всех параметров процесса с помощью управляющей станции. Все элементы модуля выполнены в едином настроенном блоке и в процессе эксплуатации не требуют вмешательства со стороны пользователя.
Установка выполнена в климатическом исполнении УХЛ, категория размещения 4 по ГОСТ 15150 для эксплуатации в помещении при температуре окружающей среды от +1 ℃ до +35 ℃ и влажности до 80 % при 25 ℃. Установка работает от сети переменного тока 220 В, частотой 50 Гц.
Каталитическая реакторная установка проточного типа (в комплекте с аналитическим оборудованием и компьютерным обеспечением)
Технические характеристики установки R-302 Reactor System для изучения непрерывных каталитических процессов со стационарным слоем катализатора
|
Характеристика |
Значение |
|
Вес установки, не более |
150 кг |
|
Размеры установки, не более, Ш*Г*В (ширина, глубина и высота) |
1200 мм*600 мм*1500 мм |
|
Максимальная рабочая температура - реактор (R-302) - холодильник (Е-302) - сырьевая емкость (Т-302) |
600 0С 250 0С 100 0С |
|
Максимальное рабочее давление - реактор (R-302) - сепаратор (S-302) |
50 бар ≈ 50 атм. 10 бар ≈ 10 атм. |
|
Установленная мощность электропитания |
3,5 кВт |
|
Объем - реактор (R-302) - сепаратор (S-302) - сырьевая емкость(Т-302) |
15 мл 1500 мл = 1,5 л 100 мл |
Лабораторный учебно-научно-исследовательский комплекс состоит из нескольких частей:
1. Реакционный блок включает предреактор, в котором реагенты подогреваются до необходимой температуры перед подачей в главный реактор и основной реактор R-302, представляющий собой трехзонную печь с катализатором, в которой проходит основная реакция при температуре процесса, поддерживаемой обогревателем. Сырье подается из специальной емкости Т-302. В реакционном блоке установлены массовый расходомер и датчик давления (преобразователь пневматического сигнала в электрический), которым измеряют давление в реакторе. Если давление в реакторе становится выше, чем заданное давление, клапан открывается предохранительный клапан для сброса избыточного давления (ППК) и давление снижается. Для контроля и измерения температуры внутри печи применяется датчик температуры, представляющий собой термопару.
2. Модуль сепарации ─ продукты, полученные в результате реакции, поступают в холодильник Е-302 для охлаждения и, затем, в сепаратор S-302, для отделения газа от жидкости после проведения реакции.
3. Модуль управления ── предназначен для управления запускающими и регулирующими работу аппаратами реакционного блока и контроля его состояния, включает в себя шкаф управления с панелью управления, персональный компьютер и программное обеспечение (ПО) управления. Внутри шкафа смонтированы автоматы включения, реле, управляющие контроллеры и система управления контроллерами. Контрольные лампы и индикаторы состояния системы выведены на панель управления.
4. Аналитическое оборудование (газовые хроматографы).
5. Персональный компьютер и соответствующее компьютерное обеспечение.
Лабораторный учебно-научно-исследовательский комплекс R-302 Reactor System предназначен для скрининга катализаторов и исследования процессов:
- каталитического пиролиза углеводородов с получением низших олефинов;
- изомеризации ксилолов с получением п-ксилола;
- получения этилена и пропилена из метанола;
- алкилирование бензола олефинами;
- олигомеризация и полимеризация олефинов;
- дегидрирования этилбензола и бутана с получением стирола и бутадиенов и др.
Конструктивные особенности лабораторных учебно-исследовательских комплексов позволяют осуществлять переобвязку схемы, изменять компоновку основных узлов, расширять диапазоны достижимых давлений и температур, что открывает широкие возможности для лабораторной реализации большого числа низко- и высокотемпературных процессов нефтегазопереработки и нефтегазохимии на основе каталитических и бескаталитических реакций в периодическом и непрерывном режимах. Кроме того, на базе установок возможно внедрение существующих и испытание новых современных средств автоматизации и управления химико-технологическими процессами.
Контактная информация
450064, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1, ауд. 539, кафедра "Нефтехимии и химической технологии"
E-mail: nht.ugntu@gmail.com
Телефон: (347) 242-08-57
Заведующий кафедрой – Татьяна Рудольфовна Просочкина