Трубопроводный транспорт – основа логистики нефтегазовой промышленности России. Протяженность магистральных трубопроводов составляет более 50 тысяч километров, поэтому минимизация энергозатрат при передвижении нефти по ним рассматривается в качестве важнейшей задачи отрасли.
Углеводороды транспортируются с высокими скоростями в режиме турбулентного потока. Жидкость, соприкасающаяся со стенками, движется с непостоянным – пульсирующим – давлением, что приводит к снижению скорости и заметным энергопотерям. Сгладить эти пульсации помогают противотурбулентные присадки, такие как сверхвысокомолекулярные полиальфаолефины – редкий и малодоступный класс полимеров, содержащих в своем составе около миллиона атомов углерода. Эти присадки эффективны даже в крайне малых концентрациях – порядка нескольких миллионных долей. К сожалению, отечественное производство альфаолефинов, из которых получают такие полимеры, не покрывает потребности нефтяной и нефтехимической промышленности, поэтому необходима разработка новых подходов к синтезу противотурбулентных присадок.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН и Института органического синтеза имени И.Я. Постовского УрО РАН предложили метод, основанный на использовании этилена – доступного в России продукта – в качестве единственного сырья. Химики сначала синтезировали альфаолефины путем сшивания молекул этилена в цепочки длиной до двенадцати атомов углерода. Затем полученные цепи химически соединяли в полимеры – искомые сверхвысокомолекулярные полиальфаолефины. Обе реакции авторы проводили при помощи высокоэффективных катализаторов собственной разработки.
Этапы полимеризации этилена до полиальфаолефинов. Источник: Nifant’ev et al. / Polymers, 2022
Ученые сравнили при различных температурах свойства традиционных противотурбулентных присадок с теми, что были получены новым способом. Последние показали высокую эффективность при низких температурах. Так, добавление в смесь углеводородов 15 миллионных долей присадок при комнатной температуре снижало энергопотери при транспортировке нефти на 50%, а при 5°С – до 25%. Более традиционные полигексеновые противотурбулентные присадки при пониженных температурах являются малоэффективными.
«Использование доступного этилена и катализаторов собственной разработки позволяет создать отечественную технологию получения эффективных присадок, не зависящую от поставок зарубежного сырья. Особенная структура синтезированных нами полимеров обеспечивает их повышенную эффективность и при низких температурах», – рассказал руководитель проекта по гранту РНФ Илья Нифантьев, доктор химических наук, профессор кафедры органической химии химического факультета МГУ, заведующий лабораторией металлоорганического катализа Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН.
