АНТИФРИКЦИОННЫЙ АГЕНТ НА ОСНОВЕ МЕРКАПТОТРИАЗОЛА ДЛЯ ГАЗОПРОВОДОВ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
ANTIFRICTION AGENT BASED ON MERCAPTOTRIAZOLE FOR GAS PIPELINES AND METHOD OF ITS PREPARATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к антифрикционному агенту для трубопроводов и способу его приготовления, и, в частности, антифрикционному агенту на основе меркаптотриазола для газопроводов для снижения сопротивления в длинных трубопроводах для природного газа и способу его приготовления. Настоящее изобретение относится к области органических макромолекулярных соединений и способов приготовления.
Уровень техники
Применение природного газа в качестве источника энергии является сейчас одним из основных фокусов отечественного и международного развития. Потребность в природном газе постоянно увеличивается благодаря требованиям устойчивого экономического развития и стремления к "чистой энергии" во всем мире.
В настоящее время природный газ транспортируют, главным образом, по трубопроводам. Современные газопроводы были разрабатывались в течение порядка 120 лет. Когда газ течет через трубопроводы, шероховатость вызывает трение, которое создает вихревое течение газа, приводящее к потерям энергии и, в свою очередь, к падению давления вдоль трубопроводов. Для трубопроводного переноса природного газа в турбулентном состоянии шероховатость стенки трубы задает коэффициент трения, и увеличение пропускной способности трубопровода требует снижения шероховатости стенки трубы. Недавно огромные достижения были сделаны в исследовании снижения сопротивления при трубопроводном переносе природного газа. В результатах современных исследований способы снижения сопротивления могут быть, в общем, разделены на снижающие сопротивление технологии на основе покрытий, покрывающих трубопроводы для природного газа, и снижающие сопротивление технологии, использующие антифрикционный агент.
Хорошо известно, что антифрикционные агенты для природного газа, подобно агентам для сырой нефти, могут существенно увеличивать пропускную способность трубопровода, снижать расход энергии компрессоров, снижать мощность компрессоров, снижать число компрессорных станций, предоставлять огромные экономические выгоды, очень желательны в практическом производстве и имеют прекрасные перспективы на рынке.
Однако антифрикционные агенты для природного газа отличаются от антифрикционных агентов для коммерческих жидкостей (таких как нефть). Антифрикционные агенты для жидкостей, такие как используются в транс-аляскинском трубопроводе для сырой нефти, являются типичным длинноцепным полимером, имеющим молекулярную массу несколько миллионов дальтон, которые добавляют в жидкую фазу, чтобы снижать вихревое течение в жидкости. Антифрикционный агент для жидкостей расширяет донный слой ламинарного течения от внутренней поверхности трубы к центральной турбулентной области, причем его эффективная область находится на границе раздела между ламинарным течением и турбулентным течением. Напротив, антифрикционные агенты для природного газа не могут иметь очень высокую молекулярную массу, так как необходимо учитывать их способность атомизироваться и способность "заполнять" "ямы" в стенке трубы. Кроме того, антифрикционные агенты для природного газа не оказывают эффекта на границе раздела между ламинарным течением и турбулентным течением, а непосредственно действуют на внутренней поверхности трубы, где молекулы антифрикционных агентов крепко присоединяются к металлической поверхности, формируя гладкую, гибкую поверхность, ослабляя турбулентность на границе раздела газ - твердое тело и снижая трение между текучей средой и стенкой трубы, т.е. непосредственно снижая шероховатость внутренней поверхности трубопровода, так что сопротивление может снижаться без изменения свойств текучей среды.
Патентные документы US 4958653 и US 5020561 предлагают способ снижения сопротивления в газопроводе с помощью антифрикционного агента. Данный антифрикционный агент представляет собой вещество, подобное ингибитору коррозии или смазке, например жирную кислоту, или амин или амид алкоксилированной жирной кислоты, имеющий от 18 до 54 атомов углерода, длинная углеводородная цепь которого имеет молекулярную массу приблизительно от 300 до 900. Эти изобретения дополнительно предполагают, что некоторые природные сырые нефти удовлетворяют требованиям антифрикционного агента. Такие природные сырые нефти состоят из асфальтенов, смол и длинноцепных алканов (С1-С40), а также содержат небольшое количество N, S, О, Fе и V, и эти гетероатомы, главным образом, собираются во фракции с высокой молекулярной массой, такой как асфальтеновая фракция, способствуя полярности асфальтенов.
Хотя способы применения антифрикционных агентов для снижения сопротивления в газопроводах и антифрикционные соединения были предложены в вышеуказанных патентных документах, они имеют ограниченное антифрикционное действие и не являются идеальными антифрикционными агентами.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение ставит задачей обеспечить антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов и способ его приготовления, который имеет простые эксплутационные и мягкие реакционные условия и подходит для онлайновой атомизации и впрыскивания, и его исходные материалы доступны из прямых источников.
Антифрикционный агент для трубопроводов природного газа, обеспеченный согласно настоящему изобретению, является антифрикционным агентом на основе меркаптотриазола для газопроводов, который готовят с помощью следующих этапов:
получение 1,3-диаминотиомочевины из гидразингидрата и сероуглерода в массовом отношении от 3:1 до 4:1 под действием катализатора I; получение дитиокарбогидразона по реакции конденсации 1,3-диаминотиомочевины и ароматического альдегида в массовом отношении от 1:1 до 1:1,5; получение меркаптотриазольного соединения из дитиокарбогидразона и ароматического сложного эфира в массовом отношении от 1:1 до 1:3 под действием катализатора II; растворение меркаптотриазольного соединения в ацетоне, добавление туда фосфорной кислоты или фосфата(ов) и тщательное перемешивание их с получением антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов.
Для антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенного согласно настоящему изобретению, используемый катализатор I предпочтительно представляет собой 2-хлорэтанол, 2-меркаптоэтанол, этиленхлоргидрин или 2-(2-хлорэтокси)этанол.
Для антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенного согласно настоящему изобретению, используемый ароматический альдегид предпочтительно представляет собой бензальдегид или салицилальдегид.
Для антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенного согласно настоящему изобретению, используемый ароматический сложный эфир предпочтительно представляет собой этилбензоат, н-пропилбензоат, изопропилбензоат, н-бутилбензоат, изобутилбензоат, втор-бутилбензоат, трет-бутилбензоат, н-пентилбензоат, изопентилбензоат или гексилбензоат.
Для антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенного согласно настоящему изобретению, используемая фосфорная кислота или фосфат предпочтительно представляет собой одно соединение или комбинацию нескольких из фосфорной кислоты, фосфата цинка, фосфата натрия, фосфата калия, фосфата никеля, фосфата двухвалентного железа и фосфата трехвалентного железа.
Для антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенного согласно настоящему изобретению, используемый катализатор II предпочтительно представляет собой гидроксид калия или гидроксид натрия.
Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает способ приготовления вышеуказанного антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, содержащий этапы:
Этап 1: получение 1,3-диаминотиомочевины из гидразингидрата и сероуглерода под действием катализатора I;
Этап 2: получение дитиокарбогидразона по реакции конденсации 1,3-диаминотиомочевины и ароматического альдегида;
Этап 3: получение меркаптотриазольного соединения из дитиокарбогидразона и ароматического сложного эфира под действием катализатора II;
Этап 4: растворение меркаптотриазольного соединения в ацетоне, добавление туда фосфорной кислоты или фосфата(ов) и тщательное перемешивание их с получением антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, предпочтительно, этап 1 получения 1,3-диаминотиомочевины из гидразингидрата и сероуглерода под действием катализатора I содержит следующую подробную процедуру:
добавление по каплям сероуглерода к смешанной жидкости из гидразингидрата и этанола при перемешивании, где массовое отношение сероуглерода к гидразингидрату составляет от 3:1 до 4:1; нагрев их с обратным холодильником при от 85°С до 100°С в течение от 4 до 8 ч с последующим охлаждением на бане с ледяной водой в течение от 1 до 4 ч; выполнение фильтрования под вакуумом и добавление отфильтрованного продукта к раствору катализатора I, растворенного в этаноле, с протеканием реакции при комнатной температуре в течение от 8 до 24 ч с последующим нагревом с обратным холодильником при от 95°С до 105°С в течение от 4 до 12 ч; затем доведение рН до 2-5 разбавленным НСl с последующим фильтрованием под вакуумом и сушкой в сушильном шкафу; добавление абсолютного этанола для выполнения рекристаллизации с получением 1,3-диаминотиомочевины.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, предпочтительно этап 2 получения дитиокарбогидразона по реакции конденсации 1,3-диаминотиомочевины и ароматического альдегида содержит следующую подробную процедуру:
растворение 1,3-диаминотиомочевины в ледяной уксусной кислоте, нагрев их до кипения и добавление туда ароматического альдегида, где массовое отношение 1,3-диаминотиомочевины к ароматическому альдегиду составляет от 1:1 до 1:1,5; поддержание состояния кипения в течение от 4 до 8 ч путем нагрева с последующим охлаждением до комнатной температуры; промывка продукта, полученного фильтрованием под вакуумом, абсолютным этанолом от 3 до 5 раз с последующей вакуумной сушкой с получением дитиокарбогидразона.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, предпочтительно этап 3 получения меркаптотриазольного соединения из дитиокарбогидразона и ароматического сложного эфира под действием катализатора II содержит следующую подробную процедуру:
растворение дитиокарбогидразона в растворе ароматического сложного эфира в толуоле или ксилоле, где массовое отношение дитиокарбогидразона к ароматическому сложному эфиру составляет от 1:1 до 1:3; перемешивание их с низкой скоростью в течение 12 ч при постоянной температуре от 80°С до 100°С; повышение температуры до 140°С и выполнение вакуумной дистилляции, чтобы отогнать толуол и ксилол, с получением меркаптотриазольного соединения.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, предпочтительно этап 4 представляет собой растворение полученного меркаптотриазольного соединения в ацетоне, добавление туда фосфорной кислоты или фосфата(ов), где массовое отношение фосфорной кислоты/фосфата(ов) к меркаптотриазольному соединению составляет от 3:1 до 3:3, и тщательное перемешивание их с получением целевого продукта.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, предпочтительно используемый катализатор I предпочтительно представляет собой 2-хлорэтанол, 2-меркаптоэтанол, этиленхлоргидрин или 2-(2-хлорэтокси)этанол.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, используемый ароматический альдегид предпочтительно представляет собой бензальдегид или салицилальдегид.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, используемый ароматический сложный эфир предпочтительно представляет собой этилбензоат, н-пропилбензоат, изопропилбензоат, н-бутилбензоат, изобутилбензоат, втор-бутилбензоат, трет-бутилбензоат, н-пентилбензоат, изопентилбензоат или гексилбензоат.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, используемая фосфорная кислота или фосфат(ы) предпочтительно представляет собой одно соединение или комбинацию более чем одного из из фосфорной кислоты, фосфата цинка, фосфата натрия, фосфата калия, фосфата никеля, фосфата двухвалентного железа и фосфата трехвалентного железа.
В способе приготовления антифрикционного агента на основе меркаптотриазола для газопроводов, предложенном согласно настоящему изобретению, предпочтительно используемый катализатор II предпочтительно представляет собой гидроксид калия или гидроксид натрия.
Антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов согласно настоящему изобретению применяет особые макромолекулярные соединения или полимеры, имеющие структурные характеристики, подобные характеристикам поверхностно-активных веществ. Полярные концы данных макромолекулярных соединений или полимеров крепко присоединяются к внутренней металлической поверхности трубы, образуя гладкую пленку, а их неполярные концы находятся на границе раздела газ - твердое тело, образованной между текучей средой и внутренней поверхностью трубы. Особая молекулярная структура данной пленки используется, чтобы поглощать энергию турбулентности на границе раздела между текучей средой и внутренней поверхностью, снижая энергию, расходуемую на внутренней поверхности, и поглощенная энергия турбулентности затем рассеивается в текучей среде, снижая беспорядок турбулентности, так что сопротивление снижается.
Антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов и способ его приготовления согласно настоящему изобретению имеют следующие преимущества:
- после введения в трубопроводы природного газа антифрикционный агент настоящего изобретения прилипает к внутренней поверхности трубопроводов и образует пленку, тем самым существенно снижая шероховатость внутренней поверхности трубопроводов, причем "ямы" на поверхности "заполняются" и данное заполнение является равномерным;
- кроме того, после образования данной пленки продукты коррозии, ранее существующие на металлической поверхности, исчезают, показывая величину применения антифрикционного агента настоящего изобретения в снижении сопротивления; пленка на поверхности имеет хорошую гибкость, показывая, что синтетический антифрикционный агент на основе соли пиридина обладает свойствами, требуемыми для антифрикционных агентов для природного газа, и его способность к образованию пленки и гибкость в достаточной степени демонстрируют величину его потенциального применения в качестве антифрикционного агента для трубопроводов природного газа;
- антифрикционный агент согласно настоящему изобретению показывает замечательный антифрикционный эффект в газопроводах; его исходные материалы доступны из прямых источников, а способ его приготовления имеет хорошие рабочие, мягкие реакционные условия и низкие требования к оборудованию, и легко реализует крупномасштабное промышленное производство.
Описание чертежей
Фигура 1 представляет собой СЭМ изображение исходной поверхности стального листа.
Фигура 2 представляет собой СЭМ изображение поверхности стального листа, покрытого антифрикционным агентом на основе меркаптотриазола для газопроводов согласно примеру 3.
Подробное описание изобретения
Чтобы позволить лучше понять технические признаки, задачи и преимущественные эффекты настоящего изобретения, ниже будет обеспечено подробное описание технических решений настоящего изобретения, но его не следует рассматривать как ограничивающее объем настоящего изобретения.
Пример 1
Этот пример обеспечивает антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов и способ его приготовления, где данный способ, в частности, содержит следующие этапы:
- добавление по каплям 100 г сероуглерода к смешанной жидкости из 25 г гидразингидрата и 50 г этанола при перемешивании; нагрев их с обратным холодильником при 100°С в течение 8 ч с последующим охлаждением на бане с ледяной водой в течение 4 ч; фильтрование под вакуумом и добавление отфильтрованного продукта к раствору 2-хлорэтанола, растворенного в этаноле, с протеканием реакции при комнатной температуре в течение 24 ч с последующим нагревом с обратным холодильником при 100°С в течение 12 ч; затем доведение рН до 5 разбавленным НСl с последующим фильтрованием под вакуумом и сушкой в сушильном шкафу; добавление абсолютного этанола для выполнения рекристаллизации с получением 197 г 1,3-диаминотиомочевины;
- растворение данной 1,3-диаминотиомочевины в ледяной уксусной кислоте, нагрев их до кипения, затем добавление туда 200 г ароматического альдегида, и поддерживание состояния кипения в течение 8 ч путем нагрева с последующим охлаждением до комнатной температуры; промывание продукта, полученного фильтрованием под вакуумом, абсолютным этанолом 5 раз с последующей вакуумной сушкой с получением 311 г дитиокарбогидразона;
растворение данного дитиокарбогидразона в растворе 300 г ароматического сложного эфира в толуоле или ксилоле; перемешивание их с низкой скоростью в течение 12 ч при постоянной температуре 100°С; повышение температуры до 140°С и выполнение вакуумной дистилляции, чтобы отогнать толуол и ксилол, с получением меркаптотриазольного соединения;
- растворение данного меркаптотриазольного соединения в 800 мл ацетона, добавление туда 300 г фосфорной кислоты и тщательное перемешивание их с получением целевого продукта.
Пример 2
Этот пример обеспечивает антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов и способ его приготовления, где данный способ, в частности, содержит следующие этапы:
- добавление по каплям 100 г сероуглерода к смешанной жидкости из 30 г гидразингидрата и 60 г этанола при перемешивании; нагрев их с обратным холодильником при 100°С в течение 7 ч с последующим охлаждением на бане с ледяной водой в течение 2 ч; фильтрование под вакуумом и добавление отфильтрованного продукта к раствору 2-хлорэтанола, растворенного в этаноле, с протеканием реакции при комнатной температуре в течение 24 ч с последующим нагревом с обратным холодильником при 100°С в течение 11 ч; затем доведение рН до 3 разбавленным НСl с последующим фильтрованием под вакуумом и сушкой в сушильном шкафу; добавление абсолютного этанола для выполнения рекристаллизации с получением 213 г 1,3-диаминотиомочевины;
- растворение данной 1,3-диаминотиомочевины в ледяной уксусной кислоте, нагрев их до кипения, затем добавление туда 220 г ароматического альдегида, и поддерживание состояния кипения в течение 8 ч путем нагрева с последующим охлаждением до комнатной температуры; промывание продукта, полученного фильтрованием под вакуумом, абсолютным этанолом 3 раза с последующей вакуумной сушкой с получением 342 г дитиокарбогидразона;
- растворение данного дитиокарбогидразона в растворе 350 г ароматического сложного эфира в толуоле или ксилоле; перемешивание их с низкой скоростью в течение 10 ч при постоянной температуре 80°С; повышение температуры до 140°С и выполнение вакуумной дистилляции, чтобы отогнать толуол и ксилол, с получением меркаптотриазольного соединения;
- растворение данного меркаптотриазольного соединения в 800 мл ацетона, добавление туда 350 г фосфорной кислоты и тщательное перемешивание их с получением целевого продукта.
Пример 3
Этот пример обеспечивает антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов и способ его приготовления, где данный способ, в частности, содержит следующие этапы:
- добавление по каплям 100 г сероуглерода к смешанной жидкости из 28 г гидразингидрата и 55 г этанола при перемешивании; нагрев их с обратным холодильником при 100°С в течение 8 ч с последующим охлаждением на бане с ледяной водой в течение 3 ч; фильтрование под вакуумом и добавление отфильтрованного продукта к раствору 2-хлорэтанола, растворенного в этаноле, с протеканием реакции при комнатной температуре в течение 20 ч с последующим нагревом с обратным холодильником при 100°С в течение 12 ч; затем доведение рН до 4 разбавленным НСl с последующим фильтрованием под вакуумом и сушкой в сушильном шкафу; добавление абсолютного этанола для выполнения рекристаллизации с получением 204 г 1,3-диаминотиомочевины;
- растворение данной 1,3-диаминотиомочевины в ледяной уксусной кислоте, нагрев их до кипения, затем добавление туда 200 г ароматического альдегида, и поддерживание состояния кипения в течение 8 ч путем нагрева с последующим охлаждением до комнатной температуры; промывание продукта, полученного фильтрованием под вакуумом, абсолютным этанолом 5 раз с последующей вакуумной сушкой с получением 319 г дитиокарбогидразона;
растворение данного дитиокарбогидразона в растворе 320 г ароматического сложного эфира в толуоле или ксилоле; перемешивание их с низкой скоростью в течение 12 ч при постоянной температуре 100°С; повышение температуры до 140°С и выполнение вакуумной дистилляции, чтобы отогнать толуол и ксилол, с получением меркаптотриазольного соединения;
- растворение данного меркаптотриазольного соединения в 700 мл ацетона, добавление туда 330 г фосфорной кислоты и тщательное перемешивание их с получением целевого продукта.
Антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов, полученный согласно этому примеру, подвергали процессу формирования пленки, и выполняли электронный микроскопический анализ путем растворения определенного количества данного продукта в надлежащем количестве растворителя (такого как дизельное топливо, керосин, бутанол, гексанол, октанол и др.), погружения обработанного (обезжиренного, с удаленной ржавчиной и полированного металлографической песчаной шлифовальной шкуркой) стального листа (СЭМ изображение исходной поверхности данного листа показано на фигуре 1) в данный растворитель, извлечения листа после определенного периода времени и его сушки, и выполнения для него микроскопического анализа на сканирующем электронном микроскопе JЕDL JSМ-6700F.
Результаты показывают, что шероховатость поверхности стального листа, покрытой антифрикционным агентом на основе меркаптотриазола для газопроводов согласно этому примеру (показанной на фигуре 2), существенно улучшилась, причем "ямы" на поверхности "заполнены" и заполнение является равномерным. Кроме того, после формирования пленки антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов тестировали в комнатной испытательной системе для антифрикционных агентов для природного газа (согласно комнатному методу тестирования антифрикционных эффектов антифрикционных агентов для природного газа, стандарт №: Q/SY GD0221-2012). Результаты показывают, что процентное снижение сопротивления составляет больше, чем 18%, и этот эффект стабильно сохраняется в течение свыше 60 дней, показывая, что данный антифрикционный агент на основе меркаптотриазола для газопроводов является полезным в применениях для снижения сопротивления в газопроводах.