Новости

10 июня, 2021 14:57

Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов

Российские ученые установили, что диметилсульфоксид — соединение с высокой растворяющей способностью — препятствует образованию кристаллов на основе природного газа и воды, которые появляются в нефте- и газопроводах при снижении температуры или повышении давления. Газовые гидраты по структуре и форме похожи на кристаллы льда и откладываются на стенках труб, мешая нормальной транспортировке углеводородного сырья. Предложенный химиками реагент позволит эффективно и безопасно бороться с образованием гидратных пробок. Результаты работы опубликованы в Chemical Engineering Journal. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Слева: Установка для исследования фазовых равновесий газовых гидратов. Источник: Антон Семенов. Справа: Сравнение диметилсульфоксида и других неионных термодинамических ингибиторов гидратообразования (метанол, моноэтиленгликоль и диэтиленгликоль). Равнове
Влияние концентрации диметилсульфоксида в водном растворе (а — в массовых долях, b — в мольных долях) и давления на понижение равновесной температуры гидратообразования метана ΔTh. Цветной контур (от синего до красного) соответствует величинам ΔTh. Источ
3 / 4
Слева: Установка для исследования фазовых равновесий газовых гидратов. Источник: Антон Семенов. Справа: Сравнение диметилсульфоксида и других неионных термодинамических ингибиторов гидратообразования (метанол, моноэтиленгликоль и диэтиленгликоль). Равнове
Влияние концентрации диметилсульфоксида в водном растворе (а — в массовых долях, b — в мольных долях) и давления на понижение равновесной температуры гидратообразования метана ΔTh. Цветной контур (от синего до красного) соответствует величинам ΔTh. Источ
Некоторые низкомолекулярные соединения углерода, например метан, этан, пропан и углекислый газ, при определенном сочетании температуры и давления образуют с водой кристаллические льдоподобные соединения — клатратные или газовые гидраты. В природе они встречаются в донных отложениях морей и в глубинах земной коры. Метан часто образует гидраты в нефте- и газопроводах, поскольку он является основным компонентом природного газа (до 99 процентов) и попутных нефтяных газов (до 90 процентов). Обычно газовые гидраты оседают на стенках труб и промыслового оборудования при температурах около нуля, и этим создают осложнения при транспортировке нефти и газа. Проблема особенно актуальна для морских и шельфовых месторождений, а также для северных регионов. Поэтому ученые ищут химические соединения, способные эффективно бороться с гидратообразованием. На сегодняшний день в России в качестве ингибитора наиболее широко используется метанол, но он обладает высокой летучестью, что приводит к его большим потерям за счет испарения. Кроме того, метанол токсичен для человека и окружающей среды.

Исследовательская группа из РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. ГубкинаСколтеха (Москва) и Института неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН (Новосибирск) показала, что диметилсульфоксид может выступать в качестве эффективного ингибитора газовых гидратов, альтернативного метанолу и моноэтиленгликолю. Это синтетическое вещество применяется в химии в качестве растворителя, в быту для удаления пятен краски и даже в медицине как противовоспалительное и обезболивающее средство. Теперь же ученые обнаружили у него способность препятствовать образованию газовых гидратов. Кроме того, диметилсульфоксид почти не токсичен и нелетуч, и поэтому намного безопаснее метанола.

Химики проверили, как влияют различные концентрации диметилсульфоксида на температуру и давление, при которых может существовать гидрат метана. Для этого в автоклав с мешалкой (прибор, состоящий из герметичной камеры, в которой можно создавать необходимые температуру и давление и измерять их) заливали воду или водный раствор диметилсульфоксида с известной концентрацией и подавали газообразный метан до давления в диапазоне 3–13 мегапаскалей. Для сравнения: нормальное атмосферное давление имеет значение порядка 0,1 мегапаскаля. С помощью охлаждения в автоклаве ученые синтезировали газовый гидрат, а затем его разлагали, обратно повышая температуру. Оказалось, что добавление диметилсульфоксида в высоких концентрациях (55 процента массы раствора) приводит к значительному снижению температуры, при которой метан образует гидраты — до -31°С. В случае чистой воды температура составляет +6°С.

Кроме того, ученые сравнили антигидратные свойства диметилсульфоксида с другими химическими соединениями, которые уже используются в нефтегазовой отрасли, — метанолом, моноэтиленгликолем и диэтиленгликолем. Выяснилось, что при невысоких концентрациях (до 30 процентов по массе) наиболее эффективно препятствует образованию гидратов метанол, а диметилсульфоксид близок по ингибирующей способности к моноэтиленгликолю. Начиная с 53 процентов, диметилсульфоксид превосходит даже метанол, являющийся одним из самых сильных известных ингибиторов неионной природы. Такое поведение можно объяснить «неидеальностью» растворов диметилсульфоксида из-за высокой полярности его молекул. Дело в том, что в водном растворе они конкурируют с молекулами воды при образовании водородных связей, а это затрудняет образование гидратов.

Чтобы оценить экономическую выгодность разных ингибиторов, исследователи оценили затраты при использовании метанола, моноэтиленгликоля, диэтиленгликоля и диметилсульфоксида, необходимые для смещения равновесной температуры образования гидрата метана на одно и то же значение. Самым дешевым вариантом оказался метанол, но при этом нужно учитывать, что он обладает высокой летучестью, а это приводит к значительным потерям и увеличению реальных затрат. Из-за более высокой температуры кипения диметилсульфоксид стабильнее, хотя на первый взгляд стоимость его применения выше, чем у всех остальных соединений.

«Диметилсульфоксид эффективнее при высоких концентрациях, чем традиционные ингибиторы гидратообразования, а также лучше совместим с солями в водном растворе, что актуально для газовых и нефтяных месторождений с минерализованной пластовой водой. Важное его преимущество — сравнительно низкая токсичность. Поэтому использование диметилсульфоксида вместо метанола и моноэтиленгликоля на объектах нефтегазовой отрасли может способствовать как уменьшению экологической нагрузки на окружающую среду, так и снижению вредного влияния на здоровье работников нефтегазовых предприятий», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Антон Семенов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник кафедры физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина.
22 июня, 2021
Принцип работы 3D принтеров удешевил получение половолоконных мембран
Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева (ИНХС) РАН применили принцип работы...
21 июня, 2021
Молекула-рука поможет фармацевтам отлавливать «злых близнецов» лекарственных препаратов
Химики из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова предложили новый метод по...