10 июня
РНФ

Диметилсульфоксид помешает кристаллам создавать пробки в нефтепроводах

4.5

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.

Установка для исследования фазовых равновесий газовых гидратов / ©Антон Семенов

Результаты работы опубликованы в Chemical Engineering Journal. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ). 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 — основной компонент 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.

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) / ©Semenov et al. / Chemical Engineering Journal, 2021

Исследовательская группа из РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, Сколтеха (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.

Сравнение диметилсульфоксида и других неионных термодинамических ингибиторов гидратообразования (метанол, моноэтиленгликоль и диэтиленгликоль). Равновесная температура гидрата метана при 8 МПа (a, b) и ее понижение (c, d) для сравниваемых ингибиторов в шкале массовых и мольных долей / ©Semenov et al. / Chemical Engineering Journal, 2021

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
РНФ осуществляет финансовую и организационную поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований посредством финансирования прошедших конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов.
15 октября
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

Позавчера, 10:39
Александр Березин

Когда полвека назад гибель динозавров объяснили падением астероида, это вызвало массовое неприятие, длившееся десятилетия. Открытие кометы, взрыв которой принес тысячелетнее похолодание в начале голоцена, привело к спорам в научной среде, которые идут до сих пор. Теперь множеству атак подверглось и открытие астероида, уничтожившего Содом. Отчего многим исследователям так трудно поверить в астероидные взрывы и о каких узких местах в современной науке это может говорить?

15 октября
Ольга Иванова

Международная группа ученых пришла к выводу, что употребление жирных кислот, содержащихся в орехах, семенах, сое и растительном масле, снижает риск смерти от всех причин, в том числе от сердечно-сосудистых заболеваний.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

15 октября
Илья Ведмеденко

Компания General Dynamics Land Systems представила макет наземного робота TRX, который выступит носителем беспилотников-камикадзе. Помимо них, он получил квадрокоптер.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

22 сентября
Илья Ведмеденко

Видео демонстрирует концепцию, известную как Rapid Dragon. Крылатые ракеты сбросили из самолетов C-17 и EC-130: предполагается, что это позволит повысить ударную мощь США.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: