Способы улучшения реологических свойств высоковязких нефтей

Methods for improving the rheological properties of high-viscosity oils

Ruslan Kutlizamaev

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Galina Burova

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Dina Safina  

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Olga Kolonenkova

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Iskander Shariffulin

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Evgeny Abakumov

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Danil Fedotov

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Gadel Idrisov

student, Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Liya Baybekova

Candidate of Engineering Sciences, assistant professor in Kazan National Research Technological University, Russia, Kazan

Аннотация. Вязкость жидкостей обуславливается сопротивление и потери напора, которые возникают при перекачке по трубам, каналам и прочим руслам, а также при движении в них инородных тел.

Abstract. Viscosity of liquids is caused by resistance and head loss, which occur when pumping through pipes, channels and other beds, as well as when foreign bodies move in them.

Ключевые слова: Вязкость, реологические свойства, парафины, смолы, снижение вязкости, присадки.

Keywords. Viscosity, rheological properties, paraffins, resins, viscosity decrease, additives.

В разные времена года, в зависимости от температуры, дизельное топливо при перекачке ведет себя по-разному, особое влияние нужно уделить зиме. Зимой и о свойствах дизельного топлива можно судить по трем показателям: вязкости, температуре помутнения и температуре застывания топлива.

При понижении температуры текучесть дизельного топлива ухудшается из-за увеличения его вязкости, которая в свою очередь зависит от количества образовавшихся кристалликов парафина и льда. При повышении вязкости затрудняется его фильтрация, пуск двигателя и прокачка топлива по трубопроводам.

Бывает так, что вязкость дизельных топлив не возрастает до таких величин, чтобы вызывать большие затруднения в эксплуатации даже при очень низкой температуре, однако кристаллики парафина и льда часто могут вызывать серьезнейшие неполадки в работе. [1]

Что бы увеличить эффективность процесс транспортировки, нефть и дизельное топливо необходимо предварительно подготовить. Наиболее эффективным способом на сегодняшний день является метод использования химических реагентов[2,3].

При данном методе в перекачиваемую жидкость добавляют химические реагенты (депрессорные присадки). Депрессорные присадки – это нерастворимые синтетические полимерные продукты, которые при введении в небольших количествах в нефть с повышенным содержанием парафина способны изменять ее вязкость и напряжение сдвига. Введение данных присадок значительно изменяет образование кристаллов парафина и снижает вязкость нефти и нефтепродуктов. В этом случае образуются смешанные кристаллы депрессор-парафин, что мешает объединению частиц в пространственную сетку. [6]

В зависимости от условий и цели применения концентрация депрессора может быть различной. Например, для успешной транспортировки нефти по трубопроводу, достаточно ввести присадку с массовой концентрацией 0,1–0,2%. А при перекачке смеси высокозастывающей нефти с маловязкими та концентрация может быть снижена.

Для использования в качестве депрессоров предложено большое количество соединений различных классов, которые имеют ряд общих признаков: обязательное наличие полярных групп (или ароматических ядер) и длинных алифатических цепей. В основном, в качестве депрессоров используются производные алкилфенолов и алкилбензолов, либо алкильные производные конденсированных ароматических соединений В последнее время большое внимание уделяется синтезу и исследованию депрессорных присадок на основе различных синтетических полимеров и их высокомолекулярных солей. Например, в литературе описаны депрессоры на основе сополимеров сложных и простых виниловых эфиров с этиленом или пропиленом, кальциевых солей полиметакриловой кислоты или сополимеров полиспиртов (поливинилового спирта) и многоосновных карбоновых кислот. [7]

Механизм действия депрессорных добавок до настоящего времени полностью не изучен. Считается, что кристаллизация углеводородов из нефтепродуктов сопровождается образованием пространственной сетки, которая связывает жидкую фазу и препятствует ее движению. Депрессорные добавки адсорбируются на кристаллах углеводородов в процессе их роста и, с одной стороны, создают пространственные затруднения для сближения кристаллов, необходимого для построения сетчатого каркаса. [8]

В случае введения в дизельное топливо депрессорных присадок процесс образования кристаллов меняется. Присадка сорбируется на поверхности кристалла, препятствуя таким образом его дальнейшему росту. Но точный механизм действия депрессора до сих пор окончательно не изучен. [9]

Сейчас между собой конкурируют две теории.

Согласно первой, в дизельном топливе имеет место сокристаллизация парафина и депрессорной присадки, которая представляет собой встраивание молекулы депрессора (ее неполярной части) в кристалл парафина. Полярная часть молекулы остается снаружи и как бы отталкивает другие молекулы парафина, которые «хотят» присоединиться к кристаллу.

Рисунок 1. Действие присадки на кристаллы парафина согласно 1 теории

Вторая теория допускает сорбцию полярной части молекулы депрессорной присадки на поверхности кристалла, в то время как неполярная часть находится снаружи и изолирует кристаллы парафина друг от друга, не давая им укрупниться и создать упорядоченную структуру. [10]

Рисунок 2.  Действие присадок на кристалл парафина согласно 2 теории

Обе теории подтверждают взаимодействие молекулы депрессорной присадки с увеличивающимся в размерах кристаллом. В связи с этим действие депрессора проявляется только тогда, когда начнут образоваться кристаллы. Поэтому данный вид присадок и не влияет на температуру помутнения топлива. Без присадки размер кристаллов парафина измеряется десятками мкм. В случае введения депрессорной добавки эти значения уменьшаются на порядок.

Депрессорные присадки ни в коей мере не влияют ни на температуру, при которой парафин кристаллизуется из раствора, ни на количество парафина, который выпадает в осадок. Напротив, при образовании кристаллов парафина депрессорные присадки также кристаллизуются вместе с парафиновыми компонентами, присутствующими в масле. Кристаллы парафина удерживаются отдельно друг от друга с помощью главных цепей депрессора, в результате такого стерического затруднения кристаллы парафина больше не могут формировать трехмерные структуры, которые сдерживают течение. Следует отметить тот важный факт, что при понижении температуры все жидкости в конечном счете «отверждаются» или, точнее, становятся неподвижными, независимо от проблем с парафином. Это связано с тем, что вязкость становится очень высокой и масло не будет течь под действием силы тяжести. Обычно это называется точкой потери вязкости. Вязкость, при которой достигается это состояние, как правило, превышает 100000 сПз. Необходимо признать важность этого типа поведения, поскольку иногда депрессорные присадки обвиняют в том, что они неэффективны для тяжелых масел или теряют свою эффективность при низких температурах. Важно помнить об ограничениях вязкости в точке застывания, чтобы знать, может ли принести пользу изменение содержания парафина. [11]

В нефтяной промышленности существует большое разнообразие добавок, основу которых составляет полимерный компонент. Наибольшее распространение среди них получили вязкостные и противотурбулентные присадки, которые нацелены либо на снижение вязкости, либо - на снижение гидравлического сопротивления. Эти присадки позволяют существенно снизить затраты на перекачку жидкостей по трубопроводу и нагрузку на перекачивающее оборудование. Однако они не способны решать обе эти задачи совместно.

Заключение

Наибольший эффект термообработки высокопарафинистых нефтей достигается при оптимальной температуре, которая всегда выше температуры плавления парафинов, находящихся в нефти. При увеличении нагрева температура застывания сначала возрастает, затем уменьшается, и становится минимальной при определенной температуре термообработки.

Этот способ, в отличие от применяемых в настоящее время, различных видов разогрева трубопровода, намного экономичнее и существенно менее трудоемок. Поэтому актуальным направлением разработки такого рода присадок, снижающих эксплуатационные затраты на транспортировку нефти и нефтяных эмульсий, является формирование композиций, обладающих как вязкостным, так и противотурбулентным действиями.