Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета нашли способ предотвратить замерзание газовых труб в условиях Крайнего Севера и на морских шельфах. Разработка представляет собой готовое технологическое решение, способное обеспечить безопасность и бесперебойность добычи и транспортировки газа в сложных условиях Арктики.
Разработка месторождений стратегического кислого газа (с сероводородом) в Арктике критически осложнена риском образования ледяных пробок (гидратов) в трубах. Существующие методы борьбы с ними недостаточно эффективны, альтернативы чрезмерно дороги или технически невозможны. Решение предложили ученые Пермского Политеха совместно с иностранными коллегами. Они создали реагенты на основе нового класса соединений — поликватерниумов, которые действуют против гидратов в два раза эффективнее аналогов. Статья опубликована в журнале Results in Engineering.
Газовые гидраты — ледяные пробки, растущие внутри труб, — представляют угрозу для всей газовой отрасли. Именно в среде кислого топлива они формируются намного быстрее и агрессивнее. Причина в том, что влага из газа при низкой температуре и высоком давлении вступает в реакцию не только с метаном, но и с сероводородом, что резко ускоряет кристаллизацию. В результате магистраль может быть полностью заблокирована за считаные минуты, что ведет к авариям и многомиллионным убыткам.
Для России, где свыше 80% всего добываемого газа приходится на Арктику, борьба с гидратами становится вопросом энергетической безопасности. Именно в суровых условиях Севера и на морском шельфе риск мгновенного образования ледяных пробок наиболее высок.
Сегодня основными средствами борьбы с ними служат ингибиторы (специальные химические добавки, замедляющие процесс образования пробок) на основе поливинилкапролактама (PVCap). Их молекулы «обманывают» систему, мешая воде и газу сформировать кристалл и оттягивая момент образования пробки. Однако они оказывают действие лишь на чистый газ, не на кислый, так как сероводород вступает в реакцию с соединением и резко снижает его эффективность. Кроме того, многие такие реагенты имеют серьезный недостаток — они образуют стойкую пену, которая нарушает работу оборудования.
Чтобы это преодолеть, инженеры создают улучшенные варианты PVCap, но все они дают лишь временный или незначительный эффект.
Решение предложили ученые Пермского Политеха совместно с международной командой исследователей. Они синтезировали два новых ингибитора, взяв за основу ранее не применявшийся для этой цели класс соединений — поликватерниумы (PQ). Это позволило в несколько раз повысить эффективность защиты трубопроводов от образования газовых гидратов по сравнению с аналогами.
Поликватерниумы — полимеры, известные своей высокой способностью взаимодействовать с водой и поверхностями, благодаря чему они давно и широко используются в производстве косметики, например в шампунях. Было создано два вещества этого класса с разной структурой — PQ-7 и PQ-10.
«Первое (PQ-7) сделано на синтетической основе полиакриламида с добавлением пирролидиниевых и аммониевых групп. Эти молекулы сравнительно небольшие, что позволяет им быстро перемещаться. Особые химические группы в их составе работают как магнитные крючки, которые мгновенно хватаются за растущие кристаллы льда и не дают им собираться. Второе (PQ-10) построено на крупных молекулах природного происхождения — это модифицированная целлюлоза с аммониевыми и гидроксипропильными группами. Их задача — создать в воде структурный барьер, который физически мешает частицам воды и газа сблизиться и образовать кристалл», — рассказал Дмитрий Мартюшев, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии», доктор технических наук.
В ходе лабораторных экспериментов ученые воссоздали работу реального газопровода (давление свыше 100 атмосфер, охлаждение до 1 °C). Эффективность PQ-7 и PQ-10 сравнили друг с другом, с коммерческим PVCap и с системой без защиты.
«Без ингибиторов гидраты начинали расти через четыре часа. Аналог увеличил это время до 12 часов, а новый PQ-7 — более чем до 24 часов. PQ-10 также показал высокую эффективность (23,8 часа), однако для этого ему потребовалась концентрация 0,5% — такая же высокая, как и у стандартного PVCap, — поделился Дмитрий Мартюшев. — Дополнительным преимуществом новых соединений также стало низкое пенообразование».
Таким образом, PQ-7 превосходит аналог по всем ключевым параметрам: эффективнее в два раза, устойчивее к переохлаждению на 53% и экономичнее в пять раз по расходу реагента. PQ-10 также дает хороший результат, но требует более высокой дозы, как и промышленный стандарт.
Дополнительно было проведено компьютерное моделирование: ученые создали виртуальную среду из множества молекул, чтобы посмотреть, как именно работают ингибиторы. Модель показала, как PQ-7 и PQ-10 прикрепляются к растущим кристаллам льда, разрушают их структуру и меняют свойства окружающей жидкости.
Совпадение данных эксперимента и моделирования подтвердило высокую эффективность новых соединений и достоверно раскрыло механизм их действия на молекулярном уровне.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
