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        聚合物降凝劑在原油中作用狀況的研究進(jìn)展*

        2016-06-05 02:06:36荊國(guó)林邊旭東張明東
        化工科技 2016年5期

        荊國(guó)林,邊旭東,葉 萍,張明東

        (東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318)

        含蠟原油在世界各地被發(fā)現(xiàn)并開(kāi)采了幾十年,這些地方包括中國(guó),印度,埃及和北海[1]。上述油田的采出液含有大量含蠟石油(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%),這些含蠟原油會(huì)讓原油開(kāi)采、運(yùn)輸和加工變得更加復(fù)雜。石油蠟可被分類(lèi)為兩個(gè)不同的類(lèi)型:粗晶石蠟和微晶石蠟[2]。粗晶蠟是主要由小分子量的正構(gòu)烷烴組成(C16~C40),通常為針狀結(jié)晶或片狀結(jié)晶。而微晶石蠟主要由高分子量的異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴組成。由于缺乏大型晶體以及異構(gòu)體排列方式的不同,微晶石蠟通常聚集到一起形成小型的無(wú)定形微粒后不能出現(xiàn)明顯的結(jié)晶情況。

        含蠟原油被冷卻到析蠟溫度(WAT)以下時(shí),石蠟從原油中析出,導(dǎo)致管道運(yùn)輸中出現(xiàn)了蠟沉積問(wèn)題[3-4]。當(dāng)內(nèi)壁溫度達(dá)到析蠟溫度以下時(shí),由于溫度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致連續(xù)的蠟沉積現(xiàn)象。沉積現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致管道的有效直徑減少,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管道完全堵塞,這會(huì)降低原油運(yùn)輸過(guò)程的安全和效率,因此這些管道就需要經(jīng)常地清理。通常使用化學(xué)試劑或者用熱溶解的方式清理管道,這些操作耗能非常高而且價(jià)格非常昂貴,因此人們一直努力去解決這個(gè)問(wèn)題。

        1 降凝劑的結(jié)構(gòu)特征

        大多數(shù)的聚合物降凝劑包含兩個(gè)部分[5],一個(gè)極性部分和一個(gè)非極性部分。其中非極性部分通常為長(zhǎng)鏈烷基,它的作用是利用成核、吸附作用和石蠟產(chǎn)生共結(jié)晶[6];非極性部分可由酯類(lèi)組成,例如醋酸乙烯酯(VAs)、馬來(lái)酸酐(MAS)或者丙烯腈,這些物質(zhì)可能會(huì)中斷蠟晶的生長(zhǎng),改變蠟晶的體積,從而使析出的蠟晶變得更小[7]。

        一個(gè)例外的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)特征是自發(fā)在油中產(chǎn)生的結(jié)晶-非結(jié)晶共聚物[8]。這些降凝劑如乙烯-丁烯共聚物(PEB)[9],它由一個(gè)結(jié)晶的非極性基團(tuán)(聚乙烯PE)和一個(gè)不結(jié)晶的非極性基團(tuán)(聚丁烯PB)組成,這種晶體基團(tuán)是由非晶體基團(tuán)包含著一個(gè)晶核構(gòu)成的,它能有效的分散油相內(nèi)的晶核。

        2 降凝劑的作用機(jī)理

        原油中的蠟結(jié)晶是一種從固體縱軸的結(jié)構(gòu)開(kāi)始無(wú)序結(jié)晶的物理過(guò)程。原油石蠟的結(jié)晶可分成三個(gè)階段:成核,生長(zhǎng)和聚集。雖然降凝劑的精確機(jī)理沒(méi)有人研究透徹,但這種添加劑被認(rèn)為是通過(guò)與蠟的相互作用來(lái)修改蠟晶體的大小和形狀,因此蠟結(jié)晶成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程被阻礙,結(jié)果是宏觀上原油的流動(dòng)能力被改進(jìn)。

        2.1 聚合物降凝劑對(duì)蠟的作用

        根據(jù)Gilby[6]和Atta[10]的研究,聚合PPDs和石蠟在成核,吸附,共結(jié)晶和溶解這些現(xiàn)象之間的相互作用是相關(guān)的。通過(guò)國(guó)內(nèi)外的多年研究,目前認(rèn)可的降凝劑的降凝方法歸納為以下幾種。

        (1) 成核。在原油溫度遠(yuǎn)高于析蠟溫度時(shí),在原油中某些聚合PPDs分子會(huì)自發(fā)的形成晶體成長(zhǎng)中心,組成晶核讓石蠟分子圍繞晶核自發(fā)聚集成膠狀物[11]。部分降凝劑分子可以降低蠟的過(guò)飽和度,降低晶體生長(zhǎng)速度,并促進(jìn)更多更小的蠟晶體的形成。蠟晶體尺寸的減小有利于原油的輸送。

        (2) 吸附[12-13]和共結(jié)晶[14-15]。溫度降低或略低于析蠟溫度時(shí),許多聚合物PPDs的分子共同析出在蠟晶體的生長(zhǎng)表面上,進(jìn)入已經(jīng)形成蠟結(jié)晶的晶核活動(dòng)中心,從而阻止蠟晶體生長(zhǎng),抑制結(jié)蠟,提高流動(dòng)性。

        (3) 蠟增溶。在溫度略高于析蠟溫度時(shí),由于蠟上的碳鏈和降凝劑長(zhǎng)鏈烷烴之間通過(guò)范德華力相互作用,故聚合物降凝劑與溶于原油中的蠟反應(yīng)。原油中的蠟含量在聚合物降凝劑的作用下有所改善,導(dǎo)致原油析蠟溫度的降低,見(jiàn)圖1a。然而,增溶效果不能減少蠟的析出量,在析蠟溫度下的減少量是受限制的,見(jiàn)圖1b。

        在之前對(duì)企業(yè)進(jìn)行市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)戰(zhàn)略管理的過(guò)程中,選擇使用的營(yíng)銷(xiāo)方式并不多而且也較為單調(diào)缺乏特色,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升和進(jìn)步,以往的營(yíng)銷(xiāo)方式也暴露出了越來(lái)越多的缺陷。有很多的企業(yè)都存有大量廣告虛假宣傳,而且廣告的模式也較為單調(diào),并不能夠吸引消費(fèi)者更多的注意力,久而久之消費(fèi)者還會(huì)在心中產(chǎn)生抵觸的情緒。同時(shí),進(jìn)一步的擴(kuò)大廣告宣傳也會(huì)導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的成本加大,不利于提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行推銷(xiāo)的實(shí)際過(guò)程中,都會(huì)對(duì)推銷(xiāo)人員和相關(guān)的工作者造成一定的難度,營(yíng)銷(xiāo)模式的單一也不利于提高企業(yè)在市場(chǎng)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

        降凝劑在加入原油后使其中的蠟溶解度增加,會(huì)減少析蠟量,進(jìn)而使蠟的分散成度會(huì)適當(dāng)?shù)脑黾?,降低析蠟溫度后[17],蠟晶表面電荷量會(huì)變大,使得蠟晶相互之間產(chǎn)生排斥而不能形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

        t/℃a

        t/℃b圖1 聚丙烯酸酯、不同的原油的蠟結(jié)晶能力[16]

        2.2 聚合降凝劑在模擬原油中的作用機(jī)理

        模擬原油由于其組成成分簡(jiǎn)單、易于分析,所以在研究調(diào)查中經(jīng)常被選用[18]。上述聚合降凝劑在模擬油的效果用差示掃描量熱法進(jìn)行了研究[19-20],包括X射線衍射[16,21]、光散射[22-23]、ζ電位、熱力學(xué)[24]等方面?;诔珊恕⑽胶凸步Y(jié)晶的相互作用,降凝劑作用:(1)可以抑制蠟晶體的生長(zhǎng),并形成具有較高比表面積的小晶體;(2)在油品中可以通過(guò)靜電斥力和空間結(jié)構(gòu)的阻礙作用分散蠟晶體的聚集[25];(3)可以使蠟晶體從片狀或針狀變成有序的球狀或者樹(shù)狀。因此,由于聚合降凝劑對(duì)蠟晶體的作用抑制了蠟沉積進(jìn)而使原油的流動(dòng)性增強(qiáng)。

        2.3 聚合物降凝劑在實(shí)際原油中的作用機(jī)理

        聚合PPDs對(duì)石蠟的作用通過(guò)成核、吸附共結(jié)晶的機(jī)理,改變晶體的形態(tài)和晶體與晶體之間的相互作用,進(jìn)而減少了蠟晶體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和互鎖結(jié)構(gòu)的形成[26]。但是聚合物PPDs復(fù)雜的流體混合物使用時(shí),反應(yīng)時(shí)通過(guò)形態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制作用會(huì)得到不確定的產(chǎn)物。

        根據(jù)許多聚合物PPDs對(duì)晶體聚集體形態(tài)的影響的觀測(cè)結(jié)果,許多研究人員[27-28]發(fā)現(xiàn)加入降凝劑的原油中會(huì)形成較大球粒狀蠟晶聚集體。1964年,Birdwell[27]發(fā)現(xiàn)大多數(shù)種類(lèi)的原油在凝點(diǎn)降低后,都會(huì)產(chǎn)生較大的蠟晶聚集體。Yang等人[29]研究了聚EVA和聚丙烯酸酯(PAS)在兩種油中的作用效果,見(jiàn)圖2。加入聚合物降凝劑后蠟晶體聚集成更大的體積。Pedersen等人[30]也觀察到了更大的蠟晶體。

        蠟晶體的形態(tài)變化是由瀝青質(zhì)的聚集引起的,而且瀝青質(zhì)的聚集可以作為天然的降凝劑,可以通過(guò)成核作用產(chǎn)生更多的小蠟晶[31-32]。蠟晶體的形態(tài)改變可以分成三種情況。(1)當(dāng)原油中含有少量的瀝青質(zhì),溶解在油中的蠟容易形成大的板狀或者針狀的結(jié)構(gòu)。聚合物降凝劑會(huì)把這些大型晶體分散成小的晶體(見(jiàn)圖2)。(2)當(dāng)原油含有一定量的瀝青質(zhì),由于成核作用瀝青聚集,沉淀的蠟晶體變小,若降凝劑不與瀝青質(zhì)聚集,由于降凝劑本身的作用蠟晶體會(huì)變得更小。(3)如果降凝劑與瀝青質(zhì)聚集,原油中的蠟可能將和降凝劑和瀝青質(zhì)形成更大的蠟晶聚集體。

        a

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        c

        d圖2 顯微鏡下的加入降凝劑后的原油的蠟晶聚集體[20]

        3 聚合物降凝劑種類(lèi)

        3.1 乙烯的聚合物和共聚物

        3.1.1 無(wú)定形結(jié)晶聚合物

        無(wú)定形結(jié)晶組成的降凝劑通常用聚乙烯作為結(jié)晶基團(tuán)[33-34],如聚丁烯(PB)和聚乙烯丙烯(PEP)。PB和聚乙烯-聚乙烯丙烯(PE-PEP)已經(jīng)作為降凝劑在原油中得到成功應(yīng)用。在降凝過(guò)程中PEB和PE-PEP會(huì)自發(fā)組成含有晶核和無(wú)定形的晶核的膠狀結(jié)構(gòu),這種膠狀結(jié)構(gòu)可以通過(guò)晶核現(xiàn)象和共結(jié)晶與石蠟相互作用,導(dǎo)致更多更小的蠟晶體產(chǎn)生,而原油流動(dòng)會(huì)帶走這些小的蠟結(jié)晶,進(jìn)而防止蠟沉積。

        3.1.2 EVA共聚物及其衍生物

        EVA共聚物是國(guó)內(nèi)外最常用的聚合物降凝劑,見(jiàn)圖3。

        圖3 EVA共聚物及其衍生物的分子結(jié)構(gòu)

        丙烯酸酯共聚物EVA的共聚物是由不同長(zhǎng)度的支鏈和醋酸乙烯酯(VA)的共聚物組成,其中w(VA)對(duì)EVA作用效率會(huì)有很大影響[35]。在w(VA)較低時(shí),作為成核劑,溫度在析蠟溫度上時(shí)EVA共聚物會(huì)更易形成結(jié)晶。在w(VA)較高時(shí),EVA共聚物和石蠟通過(guò)共結(jié)晶或者吸附相互作用。但是,在w(VA)非常高時(shí),EVA共聚物與石蠟的相互作用能力變得太弱。Machado、Radulescu[36]表示,EVA共聚物和石蠟的相互作用在w(VA)= 28%時(shí)擁有最佳的性能和效率。為了進(jìn)一步增加EVA共聚物的效率,一些研究者[9]摻入表面活性基團(tuán)引入共聚物結(jié)構(gòu),分散和抑制蠟晶體的生長(zhǎng)。

        3.2 梳型聚合物

        梳型聚合物表面活性劑近年來(lái)發(fā)展很快,因其優(yōu)良的流動(dòng)改性效果而得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究。它包括聚(甲基)丙稀酸脂類(lèi)聚合物和馬來(lái)酸酐共聚物,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

        圖4 梳形聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

        梳形聚合物是由多個(gè)類(lèi)似“梳齒”的線型側(cè)鏈接枝在“梳柄”的主鏈組成的,側(cè)鏈的枝節(jié)的長(zhǎng)短及密度可以調(diào)節(jié),主鏈側(cè)鏈的親疏水性也能調(diào)節(jié)。它與乙烯共聚物相比通常具有更好的改性效果,其結(jié)構(gòu)中通常具有長(zhǎng)鏈的燒基側(cè)鏈從而和原油中的石蠟進(jìn)行了有效的相互作用,同時(shí)其結(jié)構(gòu)中還含有極性官能團(tuán)。

        梳形聚合物的優(yōu)點(diǎn):由于其主鏈和側(cè)鏈的可調(diào)性,可以與許多結(jié)構(gòu)組成多變的原油相互作用,是一種適合稠油降粘的高分子降凝劑。

        3.3 納米雜化降凝劑

        雖然傳統(tǒng)的聚合物降凝劑被廣泛用于原油的管道運(yùn)輸當(dāng)中,但是在傳統(tǒng)降凝劑有如下幾個(gè)缺點(diǎn):(1)在含蠟量較高的原油中降凝劑的效率會(huì)降低;(2)降凝劑的降凝效果取決于原油的組成成分;(3)降凝劑在吸附一些極性大分子會(huì)減少降凝效率;(4)只適用于處理含有支鏈和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的蠟分子;(5)在處理靜止或者流動(dòng)性不佳的原油時(shí),其作用效率會(huì)大大降低。

        納米粒子降凝劑比普通的聚合物降凝劑擁有更好的發(fā)展前景,主要體現(xiàn)在其獨(dú)特的尺寸、更大的反應(yīng)表面積。Hussain、Paul[37-38]研究出通過(guò)分散的納米顆粒形成的聚合相可制備出聚合型納米復(fù)合降凝劑。相比較聚合物降凝劑,納米復(fù)合降凝劑的機(jī)械性、熱穩(wěn)定性、耐磨性和韌性都會(huì)有極大的提高。張某等人[39-40]通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的聚合物降凝劑和納米粒子降凝劑,發(fā)現(xiàn)納米粒子降凝劑在降低凝點(diǎn)、黏度和增強(qiáng)原油流動(dòng)性都要比傳統(tǒng)的EVA要好的多。所以,下一步的工作就是要分析透徹納米粒子型降凝劑的作用機(jī)理,制備出對(duì)原油降凝更適合的納米粒子降凝劑。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)分析降凝劑的結(jié)構(gòu)特征類(lèi)型,以及分析影響降凝劑的影響因素,得到了一系列結(jié)論。

        (1) 大多數(shù)降凝劑包含了能與蠟作用的的非極性基團(tuán),以及能夠阻斷蠟增長(zhǎng)的極性基團(tuán)。其中有一個(gè)例外是結(jié)晶的無(wú)定形共聚物,它是由兩個(gè)非極性部分:結(jié)晶性部分(PE)和無(wú)定形部分(PB或PEP);

        (2) 在降凝劑和蠟之間有四種基本的相互作用,分別可叫做成核、蠟增溶、吸附和共結(jié)晶?;谄渲g的相互作用,降凝劑會(huì)顯著的影響蠟的結(jié)晶和聚集,進(jìn)而有效的抑制蠟沉積和提高原油的流動(dòng)性,而且瀝青質(zhì)的存在也會(huì)對(duì)降凝劑在抑制蠟晶體的生長(zhǎng)方面有一定的影響;

        (3) 降凝劑可以被分類(lèi)成無(wú)定形的結(jié)晶聚合物:EVA共聚物及其衍生物、梳形聚合物和納米雜化聚合物。無(wú)定形的結(jié)晶聚合物是晶核自發(fā)與核周?chē)a(chǎn)生無(wú)定形膠束狀結(jié)構(gòu)。其中w(VA)影響著結(jié)晶能力以及EVA共聚物的作用效果。烷基鏈長(zhǎng)度是影響梳狀聚合物效率的主要因素。納米雜化物的降凝劑被使用時(shí)可能在熱穩(wěn)定性和剪切穩(wěn)定性中具有更好的功效。

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