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). 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 
 
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 
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.  

 
Фото: Установка для исследования фазовых равновесий газовых гидратов / ©Антон Семенов

 
Источник: www.naked-science.ru

Источники

Диметилсульфоксид помешает кристаллам создавать пробки в нефтепроводах - Naked Science
Naked Science (naked-science.ru), 10/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Наука в Сибири (sbras.info), 10/06/2021
Химическое соединение помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Поиск (poisknews.ru), 10/06/2021
Химики выявили нетоксичное вещество, препятствующее "зарастанию" труб нефтепроводов
Геоэнергетика (geoenergetics.ru), 10/06/2021
Химики выявили нетоксичное вещество, мешающее "зарастанию" нефтепроводов
ТАСС, 10/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Российский научный фонд (rscf.ru), 10/06/2021
Ученые нашли способ предотвратить появление пробок в нефтепроводах
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 10/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Газета.Ru, 11/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам создавать пробки в нефтепроводах
Научная Россия (scientificrussia.ru), 12/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам создавать пробки в нефтепроводах
Национальная ассоциация нефтегазового сервиса (nangs.org), 12/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам создавать пробки в нефтепроводах
Nanonewsnet.ru, 14/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Gazeta-News (gazeta-news.ru), 14/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам создавать пробки в нефтепроводах
Бурение и нефть (burneft.ru), 13/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Индикатор (indicator.ru), 15/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Рамблер/новости (news.rambler.ru), 15/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
MSN (msn.com), 15/06/2021
Диметилсульфоксид помешает кристаллам блокировать трубы нефте- и газопроводов
Российский научный фонд (рнф.рф), 17/06/2021

Похожие новости

  • 23/07/2020

    Учёные создали основу для быстрой оптической памяти

    Российские химики получили новый фотохромный — способный менять цвет при освещении — комплекс висмута (III) с так называемыми виологеновыми катионами. На основе этого соединения были созданы элементы оптической памяти и показаны их высокая эффективность и стабильность.
    852
  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    2330
  • 13/05/2020

    Диоксид кремния и наночастицы золота увеличили чувствительность газовых сенсоров в 4 раза

    ​​Вместе эти две добавки увеличивают чувствительность детектора к бензолу и этанолу более чем в четыре раза даже в условиях влажного воздуха. Такие сенсоры могут позволить обезопасить работников промышленных предприятий.
    998
  • 12/12/2017

    Новосибирские и московские ученые разработали антитела для диагностики грибковых заболеваний

    ​Исследователи из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН совместно с коллегами из Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН создали новый высокоэффективный диагностикум аспергиллезов, который поможет отличить эти заболевания от других подобных и быстро подобрать правильное лечение.
    1553
  • 21/10/2020

    ИК СО РАН и МИСиС создали совместную лабораторию

    ​В НИТУ «МИСиС» создана научно-исследовательская лаборатория MISIS Catalysis Lab, созданная совместно с Институтом катализа им. Г. К. Борескова СО РАН (г. Новосибирск). Основное направление деятельности — решение практических задач в области химического синтеза, промышленного катализа и аддитивных технологий.
    748
  • 01/02/2021

    ИК СО РАН запустил еженедельный онлайн-семинар для будущих пользователей ЦКП «СКИФ»

    Лаборатория перспективных синхротронных методов исследования (ЛПСМИ) Института катализа СО РАН провела первую серию семинаров для объединения потенциальных отечественных пользователей ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» и обмена опытом по использованию синхротронного излучения (СИ) в различных областях науки.
    1128
  • 29/01/2021

    Ученые получили полимер с рекордной протонной проводимостью

    ​Российские химики получили полимер с высокой протонной проводимостью. Это открывает возможности для создания нового класса материалов, применимых для разделения смесей, хранения газов, в качестве сенсоров, химических источников тока и систем адресной доставки лекарств.
    811
  • 02/01/2019

    Созданы катализаторы для сжигания продуктов газификации твердого топлива

    ​Российские ученые разработали новый композитный катализатор на основе оксидов железа, меди и алюминия и определили его активность. Разработанный катализатор будет использоваться для сжигания продуктов газификации различных видов топлива в кипящем слое.
    1780
  • 06/01/2019

    Российские химики раскрыли тайну рождения арктического «метана-убийцы»

    Химики из России выяснили, как формируются нестабильные кристаллы метановых гидратов – "замороженной" разновидности природного газа, вызывающей взрывы на дне морей Арктики. Их выводы были представлены в Journal of Natural Gas Science and Engineering.
    2213
  • 14/09/2021

    Фтор для дисплеев: новые органические молекулы научили излучать свет и переключать ток

    ​Российские ученые получили новые органические материалы, которые могут одновременно излучать свет и проводить заряды. Это необычное свойство позволит в перспективе использовать их для создания более совершенных и дешевых дисплеев.
    183