CN104390139B - 一种天然气管道减阻剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及管道系统技术领域，具体涉及一种天然气管道减阻剂及其制备方法。所述制备方法，包括如下步骤：合成氮氮偶极型化合物；用N‑甲基吡咯烷酮对合成的氮氮偶极型化合物进行复配。本发明制备出的天然气管道减阻剂经过雾化注入天然气管道后，牢牢的粘附在管道内壁上，并形成一层光滑、致密的分子膜；同时在形成分子膜的过程中，非极性端存在于流体与管道内表面之间形成的气‑固界面处，减少界面处湍动产生的能量损失，达到减阻增输的目的。
Description
技术领域
本发明涉及管道系统技术领域，具体涉及一种天然气管道减阻剂及其制备方法。
背景技术
天然气是一种优质高效的清洁能源，采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100％，减少二氧化碳排放量60％和氮氧化合物排放量50％，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，从而大大改善环境污染问题。
国际能源组织预测，从2010到2050年，世界能源需求将增加60％，但煤炭和石油消费将处于逐步下降趋势，到2040年天然气的比例将与石油持平，到2050年将超过石油，成为世界第一能源。随着国内外对天然气的需求迅猛增加，不仅要求天然气管网建设快速发展，而且希望在役管线满负荷甚至超负荷运行，此外，各个地区在不同季节对天然气的需求量有较大的变化，这就要求输气管网具有一定的调节能力，尤其是在保障安全的条件下迅速增加输量。
毫无疑问，同原油减阻剂一样，天然气减阻剂将是调节管输能力、增加输量、降低能耗的最佳选择。其减阻机理被认为是雾化后的减阻剂分子与金属表面牢固地结合在一起形成一层光滑、柔性表面来缓和气-固界面处的湍动，减少流体与管壁之间的摩擦，即直接减小管道内表面粗糙度，从而达到减阻增输的目的。虽然现有技术中有公开气体管道中应用减阻剂减阻的方法，但是到目前为止大多数该方面的研究还处于实验室阶段。有些现有技术虽进行了现场应用，然而，长距离输气管线由于跨度较大，需要通过复杂的地质、地理条件与气候恶劣的地区，现有天然气减阻剂不能满足炎热干旱和超低温等恶劣气候下的安全性要求，因此开发耐低温、高闪点的天然气减阻剂具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种管壁吸附能力强、减阻效率高、有效期长、对管道材料和天然气气质均无影响，且耐低温、高闪点的天然气管道减阻剂及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种天然气管道减阻剂的制备方法，包括如下步骤：
合成氮氮偶极型化合物；
用N-甲基吡咯烷酮对合成的氮氮偶极型化合物进行复配。
进一步地，所述合成氮氮偶极型化合物的步骤如下：
(1)将质量比为1:0.55～1:1.12的2-炔基苯甲醛和肼，溶于大量的有机溶剂中，加入到反应容器里，之后逐渐滴加催化量的无机酸，在室温下进行反应；
(2)反应结束后，反应液中会有大量白色固体析出，过滤得到白色粉末状中间体2-炔基苯甲醛腙；
(3)将得到的所述白色粉末状中间体溶解在有机溶剂里，之后滴加卤素，控制温度进行反应；
(4)反应结束后，将反应液倒入装有洗涤溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，再分离下层的有机相；
(5)将有机相进行干燥除水，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到氮氮偶极型化合物。
进一步地，所述步骤(1)中的2-炔基苯甲醛的结构通式为：
其中，R1基团包括烷基、烷氧基、氨基、羟基、巯基、硝基、酯羰基、酮羰基和卤素基团，R2基团包括烷基和芳香基团。
进一步地，所述步骤(1)中的肼包括烷基肼、芳香肼、酰肼和苯磺酰肼。
进一步地，所述步骤(1)中的无机酸为硫酸或者盐酸。
进一步地，所述步骤(1)和步骤(3)中的有机溶剂为醇类和卤代烃类有机溶剂。
进一步地，所述步骤(2)中反应是否结束要通过薄层色谱板(TLC)跟踪来确定，2-炔基苯甲醛完全消失即为反应结束。
进一步地，所述步骤(3)中的卤素为单质溴、单质碘、溴化碘。
进一步地，所述步骤(3)中的滴加卤素具体包括：将卤素配制成低浓度的有机溶液，之后在0℃下缓慢滴加到反应体系中。
进一步地，所述步骤(4)中反应是否结束要通过薄层色谱板(TLC)跟踪来确定，中间体完全消失即为反应结束。
进一步地，所述步骤(4)中的洗涤溶液为饱和Na2S2O3溶液。
进一步地，所述步骤(5)中具体包括：用无水硫酸钠干燥有机相，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再将其放入真空干燥箱里12～24小时，控制温度在50℃，即得到氮氮偶极型化合物。
进一步地，所述步骤(5)中的氮氮偶极型化合物的结构通式为：
其中，R1基团包括烷基、烷氧基、氨基、羟基、巯基、硝基、酯羰基、酮羰基和卤素基团，R2基团包括烷基和芳香基团；R3基团包括烷基和芳香基团。
一种天然气管道减阻剂，为上述任一制备方法制得的天然气管道减阻剂。
本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：
本发明提供的制备方法制备出的天然气管道减阻剂的分子上含有一个氮的正电荷中心和一个氮的负电荷中心，同时分子内还含有长的烷基链，经过雾化注入天然气管道后，其极性端能与管道内壁形成化学键，牢牢的粘附在管道内壁上，并形成一层光滑、致密的分子膜；同时该减阻剂分子中还包含长的非极性烷基链，在形成分子膜的过程中，非极性端存在于流体与管道内表面之间形成的气-固界面处，气体在流动过程中与分子膜接触发生弹性碰撞时，烷基链将能量返还给气体分子，从而减少界面处湍动产生的能量损失，达到减阻增输的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例提供一种天然气管道减阻剂的制备方法，包括如下步骤：
步骤110，合成氮氮偶极型化合物；
具体地，包括如下步骤：
步骤1101，将质量比为1:0.55～1:1.12的2-炔基苯甲醛和肼，溶于大量的有机溶剂中，加入到反应容器里，之后逐渐滴加催化量的无机酸，在室温下进行反应；
具体地，所述2-炔基苯甲醛的结构通式为：
其中，R1基团包括烷基、烷氧基、氨基、羟基、巯基、硝基、酯羰基、酮羰基和卤素基团，R2基团包括烷基和芳香基团；
所述肼包括烷基肼、芳香肼、酰肼和苯磺酰肼；
所述无机酸为硫酸或者盐酸；
所述有机溶剂为醇类和卤代烃类有机溶剂；
步骤1102，反应结束后，反应液中会有大量白色固体析出，过滤得到白色粉末状中间体2-炔基苯甲醛腙；
具体地，所述反应是否结束要通过薄层色谱板(TLC)跟踪来确定，所述2-炔基苯甲醛完全消失即为反应结束；
步骤1103，将得到的所述白色粉末状中间体溶解在有机溶剂里，之后滴加卤素，控制温度进行反应；
具体地，所述有机溶剂为为醇类和卤代烃类有机溶剂；
所述滴加卤素具体包括：将单质溴、单质碘、溴化碘配制成低浓度的有机溶液，之后在0℃下缓慢滴加到反应体系中；配制有机溶液使用的有机溶剂为二氯甲烷；
步骤1104，反应结束后，将反应液倒入装有洗涤溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，再分离下层的有机相；
具体地，反应是否结束要通过薄层色谱板(TLC)跟踪来确定，中间体完全消失即为反应结束；所述洗涤溶液为饱和Na2S2O3溶液。
步骤1105，将有机相进行干燥除水，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到氮氮偶极型化合物；
具体地，用无水硫酸钠干燥有机相，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再将其放入真空干燥箱里12～24小时，控制温度在50℃，即得到氮氮偶极型化合物；所述氮氮偶极型化合物的结构通式为：
其中，R1基团包括烷基、烷氧基、氨基、羟基、巯基、硝基、酯羰基、酮羰基和卤素基团，R2基团包括烷基和芳香基团；R3基团包括烷基和芳香基团。
步骤120，用N-甲基吡咯烷酮对合成的氮氮偶极型化合物进行复配。
本发明实施例提供的一种天然气管道减阻剂，为使用上述制备方法制得的天然气管道减阻剂。
实施例1：
以2-(1-己炔基)-苯甲醛、苯磺酰肼、单质碘在盐酸催化下的反应来进一步说明氮氮偶极型天然气管道减阻剂的制备方法。具体是将2-(1-己炔基)-苯甲醛(186.0g,1.0mol)和苯磺酰肼(108.0g,1.0mol)加入到1L的单口瓶中，接着加入乙醇(500mL)，当固体全部溶解后，在0℃下边搅拌边缓慢滴加浓盐酸(37wt.％,5.0mL)，滴加完毕后在升到室温搅拌，逐渐有白色固体析出，当TLC检测至2-(1-己炔基)-苯甲醛完全消失后，过滤得到白色中间体腙。接下来把得到的白色中间体溶解在500mL二氯甲烷中，冷却反应体系至0℃，搅拌条件下缓慢滴加单质碘的二氯甲烷溶液(10.0mol/L,105.0mL)，滴加完毕后升到室温搅拌至中间体全部消失，将反应液倒入装有500mL饱和Na2S2O3溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，分液得到的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到1,3-氮氮偶极化合物，该种物质整体上是电中性的，但是同时含有正电荷中心和负电荷中心，对金属有很强的吸附能力；将其与N-甲基吡咯烷酮进行复配即得到氮氮偶极型减阻剂产品。
实施例2：
将2-(1-己炔基)-苯甲醛(192.0g,1.0mol)、烷基肼(116.0g,1.0mol)和乙醇(600mL)加入到1L的单口瓶中，0℃下边搅拌边缓慢滴加浓盐酸(37wt.％,5.5mL)，升到室温搅拌，逐渐有白色固体析出，当TLC检测至2-(1-己炔基)-苯甲醛完全消失后，过滤得到白色中间体腙。将白色中间体溶解在600mL二氯甲烷中，冷却至0℃，搅拌条件下缓慢滴加单质碘的二氯甲烷溶液(10.0mol/L,116.0mL)，升到室温搅拌至中间体全部消失，将反应液倒入装有500mL饱和Na2S2O3溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，分液得到的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到1,3-氮氮偶极化合物，将其与N-甲基吡咯烷酮进行复配即得到氮氮偶极型减阻剂产品。
实施例3：
将2-(1-己炔基)-苯甲醛(192.0g,1.0mol)、烷基肼(116.0g,1.0mol)和乙醇(600mL)加入到1L的单口瓶中，0℃下边搅拌边缓慢滴加浓盐酸(37wt.％,5.5mL)，升到室温搅拌，逐渐有白色固体析出，当TLC检测至2-(1-己炔基)-苯甲醛完全消失后，过滤得到白色中间体腙。将白色中间体溶解在600mL二氯甲烷中，冷却至0℃，搅拌条件下缓慢滴加溴化碘的二氯甲烷溶液(10.0mol/L,116.0mL)，升到室温搅拌至中间体全部消失，将反应液倒入装有500mL饱和Na2S2O3溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，分液得到的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到1,3-氮氮偶极化合物，将其与N-甲基吡咯烷酮进行复配即得到氮氮偶极型减阻剂产品。
实施例4：
将2-(1-己炔基)-苯甲醛(192.0g,1.0mol)、烷基肼(116.0g,1.0mol)和乙醇(600mL)加入到1L的单口瓶中，0℃下边搅拌边缓慢滴加浓硫酸(37wt.％,5.5mL)，升到室温搅拌，逐渐有白色固体析出，当TLC检测至2-(1-己炔基)-苯甲醛完全消失后，过滤得到白色中间体腙。将白色中间体溶解在600mL二氯甲烷中，冷却至0℃，搅拌条件下缓慢滴加溴化碘的二氯甲烷溶液(10.0mol/L,116.0mL)，升到室温搅拌至中间体全部消失，将反应液倒入装有500mL饱和Na2S2O3溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，分液得到的有机相用无水硫酸钠干燥，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到1,3-氮氮偶极化合物，将其与N-甲基吡咯烷酮进行复配即得到氮氮偶极型减阻剂产品。
合成的氮氮偶极型化合物的核磁共振化学位移为：1H NMR(400MHz,CDCl3)δ0.99(t,J＝7.3Hz,3H),1.48–1.54(m,2H),1.85–1.89(m,2H),3.05(t,J＝7.8Hz,2H),7.58–7.70(m,3H),7.86(d,J＝8.0Hz,2H),8.10–8.17(m,2H),8.42(d,J＝8.2Hz,1H),8.50(d,J＝8.0Hz,1H),8.78(s,1H)；13C NMR(100MHz,CDCl3)δ14.1,22.5,28.9,30.6,99.8,123.2,124.8,127.3,127.4,127.7,128.3,129.7,133.7,142.0,146.2,158.1,162.1。通过数据的分析，表明合成产物为目标产物。
将本发明制备出的氮氮偶极型天然气管道减阻剂喷涂在天然气管道所用的X70和X80钢板上，电镜扫描显示钢板表面的凹坑被填充，同时形成了一层致密均匀的薄膜，并且通过天然气模拟环道测试，减阻率达到9％，有效期达到80天，并且制备的氮氮偶极型天然气管道减阻剂的闪点达到了95℃，使其在运用时具有更高的安全性，并且可以在-24℃下正常使用。各项数据都表明了该减阻剂具有更优异的性能指标，具备进一步应用的价值。
本发明提供的制备方法制备出的天然气管道减阻剂的分子上含有一个氮的正电荷中心和一个氮的负电荷中心，同时分子内还含有长的烷基链，经过雾化注入天然气管道后，其极性端能与管道内壁形成化学键，牢牢的粘附在管道内壁上，并形成一层光滑、致密的分子膜；同时该减阻剂分子中还包含长的非极性烷基链，在形成分子膜的过程中，非极性端存在于流体与管道内表面之间形成的气-固界面处，气体在流动过程中与分子膜接触发生弹性碰撞时，烷基链将能量返还给气体分子，从而减少界面处湍动产生的能量损失，达到减阻增输的目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种天然气管道减阻剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
合成氮氮偶极型化合物；
用N-甲基吡咯烷酮对合成的氮氮偶极型化合物进行复配；
其中，所述合成氮氮偶极型化合物的步骤如下：
(1)将质量比为1:0.55～1:1.12的2-炔基苯甲醛和肼，溶于有机溶剂中，加入到反应容器里，之后逐渐滴加催化量的无机酸，在室温下进行反应；
(2)反应结束后，反应液中会有大量白色固体析出，过滤得到白色粉末状中间体2-炔基苯甲醛腙；
(3)将得到的所述白色粉末状中间体溶解在有机溶剂里，之后滴加卤素，控制温度进行反应；
(4)反应结束后，将反应液倒入装有洗涤溶液的分液漏斗中，充分振荡后静置分层，再分离下层的有机相；
(5)将有机相进行干燥除水，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再经过真空干燥箱干燥即得到氮氮偶极型化合物。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的2-炔基苯甲醛的结构通式为：
其中，R1基团包括烷基、烷氧基、氨基、羟基、巯基、硝基、酯羰基、酮羰基和卤素基团，R2基团包括烷基和芳香基团；
所述步骤(1)中的肼包括烷基肼、芳香肼、酰肼和苯磺酰肼；所述步骤(1)中的无机酸为硫酸或者盐酸。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(3)中的有机溶剂为醇类和卤代烃类有机溶剂。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中反应是否结束要通过薄层色谱板(TLC)跟踪来确定，所述2-炔基苯甲醛完全消失即为反应结束。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的滴加卤素具体包括：将单质溴、单质碘或溴化碘配制成低浓度的有机溶液，之后在0℃下缓慢滴加到反应体系中。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中反应是否结束要通过薄层色谱板(TLC)跟踪来确定，中间体完全消失即为反应结束。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的洗涤溶液为饱和Na2S2O3溶液。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中具体包括：用无水硫酸钠干燥有机相，过滤后用旋转蒸发仪蒸出大部分有机溶剂，再将其放入真空干燥箱里12～24小时，控制温度在50℃，即得到氮氮偶极型化合物；所述氮氮偶极型化合物的结构通式为：
其中，R1基团包括烷基、烷氧基、氨基、羟基、巯基、硝基、酯羰基、酮羰基和卤素基团，R2基团包括烷基和芳香基团；R3基团包括烷基和芳香基团。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的制备方法制得的天然气管道减阻剂。
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