КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-00085

НазваниеРазработка системы операционного контроля процесса замедленного коксования на основе сцинтилляционных детекторов с кремниевыми фотоумножителями

РуководительХромов Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является разработка системы операционного контроля процесса замедленного коксования, в основе работы которой лежит регистрация гамма-излучения с помощью сцинтилляционных детекторов с кремниевыми фотоумножителями. Глубокая переработка нефти не достижима без процесса коксования, заключающегося в переработке жидкого или твёрдого топлива нагреванием без доступа кислорода. При разложении топлива образуется твёрдый продукт — нефтяной кокс и летучие продукты. Наиболее часто используемой в современной нефтепереработке и нефтехимии является технология замедленного коксования, представляющая собой процесс термического крекинга. Образующиеся легкие летучие компоненты используются для производства светлых нефтепродуктов, при этом тяжелая фракция - нефтяной кокс, может быть применен в следующих областях: в производстве вяжущих материалов — цемента, извести или гипса; в качестве исходного сырья в производстве электродов для дуговых электропечей; топливо на ТЭЦ для генерации электроэнергии. Процесс заключается в том, что вторичное сырье, которое нагревается в трубчатых печах до ~500 С, поступает в коксовые камеры, представляющие собой вертикально расположенные цилиндрические аппараты высотой 20 - 35 м и диаметром 5-8 м. В камеру сырье непрерывно подается в течение периода ~ 1-1,5 суток и за счет полученной теплоты коксуется. После заполнения камеры коксом до определенного уровня его удаляют гидроабразивной резкой [1]. Для увеличения производительности установки, одной из важнейших целей является наполнение камеры до максимально возможного уровня. Однако во время термического крекинга в коксовой камере образуются пары, которые улетучиваясь из вязкой жидкости склонны к образованию пенного слоя. Этот слой пены может варьироваться в зависимости от нескольких параметров - таких как рабочая температура, давление, тип сырой нефти или скорость заполнения. Попадание пены в трубопровод паров или фракционную колонну может привести к остановке производства, а также требует больших затрат для очистки технологический линий, которая может занимать до 2-3 недель. Подавление пены обычно осуществляют впрыскиванием дорогостоящего пеногасителя - высокомолекулярного силикона в виде полидиметилсилоксанов в коксовую камеру. В коксовой камере при высокой температуре он разлагается, и основная часть продуктов разложения пеногасителя испаряется и уносится и загрязняет жидкие углеводороды, регенерирующиеся во фракционной колонне на следующей стадии, что может вызвать отравление катализатора в последующих установках переработки нефти. По этим причинам необходимо надежно контролировать уровень заполнения камер чтобы предотвратить попадание пены в трубопроводы, а также минимизировать количество используемого пеногасителя [2]. Из-за агрессивного характера среды и высокой температуры в несколько сотен градусов, контроль уровня заполнения коксовой камеры является сложной технологической задачей, так как датчики уровня (например, радиоволновые или гидростатические) не могут находится внутри рабочего объема, или их срок службы непродолжителен. Поэтому бесконтактный способ, в частности, радиоизотопный метод определения уровня, работающий по принципу эффекта ослабления потока ионизирующего излучения проходящего через вещество, является безальтернативным для решения данной задачи. Непрерывный контроль заполнения коксовых камер с помощью радиоизотопного прибора - гамма-уровнемера позволяет получить информацию об антипенной эффективности, изменении скорости заполнения, вспенивании. Система гамма-уровнемеров состоит из радиоактивных источников (Co-60 или Cs-137) установленных снаружи на поверхности коксовой камеры, и нескольких детекторов на основе органического сцинтиллятора, установленных на противоположной стороне [3]. В данном проекте предлагается разработка системы, где в качестве детектора сцинтилляционного света вместо вакуумного фотоэлектронного умножителя используется полупроводниковый прибор - кремниевый фотоумножитель (SiPM, или SiФЭУ) [4,5]. Разрабатываемый прибор благодаря преимуществам, характерным для кремниевого фотоумножителя ( низкое напряжение питания не более 30 В, устойчивость к магнитным полям, механическая прочность), позволит работать в условиях повышенной влажности или резких перепадов температуры, где находятся большинство российских НПЗ, а также в большем температурном диапазоне от -40 до +85 С в сравнении с аналогами, при этом точность определения уровня может быть улучшена за счет уменьшения нерабочей области внутри детектора благодаря компактным размерам SiФЭУ. Разрабатываемая система будет представлять собой законченный контрольно-измерительный комплекс, который может быть внедрен в существующие автоматизированные системы управления технологическими процессами нефтехимической отрасли. Актуальность исследования подтверждается высоким интересом со стороны ведущих отечественных предприятий, занимающихся глубокой переработкой нефтепродуктов, что особенно востребовано в период ограничительных мер по поставке высокотехнологичных приборов и оборудования для энергетического сектора экономики Российской Федерации. Кроме этого, разрабатываемая система может быть востребована и в других областях промышленности, включая добычу полезных ископаемых, металлургию, сельское хозяйство, производство строительных материалов. Научная новизна проекта заключается в том, что впервые будет разработана универсальная система операционного контроля процесса замедленного коксования, где в качестве детектора фотонов используются кремниевые фотоумножители, обладающая конкурентными преимуществами по сравнению со своими зарубежными аналогами. Система будет представлять собой единый каскад из нескольких органических сцинтилляционных детекторов на основе полистирола с современным пользовательским интерфейсом, где для считывания сигналов используется матрица SiФЭУ c быстрой электроникой. Список литературы: [1] Petroleum Refining: Technology and Economics, Third Edition. [2] White paper on coke drums, https://www.berthold.com [3] Neutron backscatter versus gamma transmission analysis for coke drum applications, Tony Hart, Thermo Fisher Scientific Application Note, 2014 [4] MPPC technical note, https://www.hamamtsu.com [5] Introduction to SiPMs , https://www.onsemi.com

Ожидаемые результаты
Впервые в мире будет создана система операционного контроля процесса замедленного коксования на основе сцинтилляционных детекторов с кремниевыми фотоумножителями, обладающая рядом конкурентных преимуществ над аналогичными приборами с вакуумными фотоэлектронными умножителями. Данная система будет использована в нефтехимической промышленности в установках замедленного коксования с целью увеличения глубины переработки нефтепродуктов благодаря оперативному контролю пенообразования. Данный проект позволит создать высокотехнологичный продукт отечественного производства, что крайне важно для стабильной и эффективной работы энергетического сектора российской экономики при ограничениях, связанных с импортом зарубежного оборудования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ