DE69806544T2 - Quartäre Ammoniumverbindungen zur Verhinderung von Metallkorrosion - Google Patents
Quartäre Ammoniumverbindungen zur Verhinderung von MetallkorrosionInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode für die Herstellung quartärer Ammoniumverbindungen und ihre Verwendung als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren Lösungen.
- Unterirdische, Kohlenwasserstoff enthaltende, durch Bohrlöcher durchdrungene Formationen werden oft zum Stimulieren der Produktion von Kohlenwasserstoffen aus diesen mit wässrigen sauren Lösungen behandelt. Eine derartige Behandlung, die als das "Azidifizieren" bekannt ist, besteht aus dem Einführen einer wässrigen sauren Lösung in die unterirdische Formation unter Druck derart, dass die saure Lösung durch die Porenräume der Formation fließt. Die saure Lösung reagiert mit in der Formation enthaltenen säurelöslichen Materialien unter Erhöhung der Größe der Porenräume und der Durchlässigkeit der Formation. Eine andere, die Produktion stimulierende Behandlung, die als "Zerklüftungs- Azidifizierung" bekannt ist, umfasst die Bildung einer oder mehrerer Bruchlinien in der Formation und das Einführen einer wässrigen sauren Lösung in die Bruchlinien zum Ätzen der Bruchoberflächen, wobei Strömungskanäle gebildet werden, wenn die Bruchlinien sich schließen. Die wässrige saure Lösung vergrößert auch die Porenräume in den Bruchoberflächen in der Formation.
- Bei der Durchführung azidifizierender und zerklüftungsazidifizierender Behandlungen in Bohrlöchern und anderen ähnlichen Behandlungen unter Verwendung wässriger saurer Lösungen stellt die Korrosion von Metallrohrwaren, Pumpen und anderen Geräten oft ein Problem dar. Die mit dem Reparieren oder Ersetzen von korrosionsbeschädigten Rohrwaren und Geräten verbundenen Kosten können oft sehr hoch liegen. Bei einer Bohrlochbehandlung unter Verwendung einer wässrigen sauren Lösung führt die Korrosion von Metalloberflächen in Rohrwaren und Geräten zu einer mindestens teilweisen Neutralisation der wässrigen sauren Lösung, bevor sie mit säurelöslichen Materialien in der zu behandelnden unterirdischen Formation reagiert. Auch kann die Anwesenheit gelöster Metalle in der wässrigen sauren Lösung zum Ausfällen von unlöslichem Schlamm führen, wenn die wässrige saure Lösung mit rohem Erdöl in Berührung kommt, was wiederum die Durchlässigkeit der zu behandelnden unterirdischen Formation stark stören kann.
- Es sind schon eine Reihe verschiedener, die Metallkorrosion hemmender Rezepturen für die Verwendung in wässrigen sauren Lösungen entwickelt und bisher erfolgreich verwendet worden. Viele derartigen korrosionshemmenden Rezepturen haben quartäre Ammoniumverbindungen als wesentliche Bestandteile, insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen, enthalten. Es hat sich gezeigt, dass die Fähigkeit einer quartären Ammoniumverbindung, die Metallkorrosion zu hemmen, in vielen Fällen mit steigender Molmasse und/oder einem steigenden Grad an Aromatizität der Verbindung zunimmt. Beispielsweise funktioniert eine quartäre Ammoniumverbindung mit drei aromatischen Ringen, die durch Reagieren von Chinolin mit einem Benzylhalogenid zubereitet wird, ausgezeichnet als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren Lösungen. Im Britischen Patent Nr. 823.163 wird eine die Korrosion hemmende Zusammensetzung beschrieben, die eine quaternisierte N-heterocyclische Base, ein wasserlösliches nichtionisches, eine Polyoxyethylengruppe enthaltendes Tensid und einen Alkohol enthält. Die N- heterocyclische Base kann beispielsweise durch Reaktion mit Benzylchlorid quaternisiert werden. Wenn Chinolin mit einer Naphthalinverbindung wie Chrommethylnaphthalin unter Bildung einer quartären Ammoniumverbindung mit vier aromatischen Ringen reagiert wird, so funktioniert die quartäre Ammoniumverbindung besser als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren Lösungen. Wenn Chinolin mit Acridin unter Bildung einer quartären Ammoniumverbindung mit fünf aromatischen Ringen reagiert wird, so funktioniert die quartäre Ammoniumverbindung noch besser als Metallkorrosionshemmer in sauren Lösungen. Im Britischen Patent Nr. 915.950 wird die Herstellung von heterocyclischen bis-Stickstoffverbindungen durch Verknüpfen von zwei Monomereinheiten wie zwei Chinolinmolekülen unter Verwendung eines Palladiumkatalysators beschrieben und in EP 328319 wird die Herstellung quartärer Chinolinverbindungen, die als Metallkorrosionshemmer nützlich sind, aus Chinolinoligomeren beschrieben. Die Herstellung der oben beschriebenen aromatischen quartären Verbindungen ist jedoch sehr kostspielig und ihre Verwendung als Metallkorrosionshemmer ist daher unpraktisch.
- Wir haben nun einige verbesserte quartäre Ammoniumverbindungen für die Verwendung als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren Lösungen entdeckt, welche Verbindungen eine hohe Molmasse und einen hohen Grad an Aromatizität aufweisen und relativ billig herzustellen sind.
- Der vorliegenden Erfindung gemäß wird eine Methode zur Verfügung gestellt für die Herstellung einer Mischung quartärer Ammoniumverbindungen, die als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren Lösungen nützlich sind, welche Methode Folgendes umfasst: (a) Inberührungbringen von durch Destillation von Chinolin aus Kohlenteer erhaltenem Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt mit Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators zum Oligomerisieren darin enthaltener aromatischer Amine, und (b) Reagieren der oligomerisierte Amine enthaltenden Destillationsverdampfer-Sumpfprodukte mit einem Benzylhalogenid unter Bildung einer Mischung quartärer Ammoniumverbindungen.
- Die erfindungsgemäßen metallkorrosionsgehemmten wässrigen sauren Lösungen bestehen im Prinzip aus Wasser, einer Säure und einer wirksamen Menge eines Korrosionshemmers, der aus einer Mischung quartärer, wie oben beschrieben hergestellter Ammoniumverbindung besteht. Die in den wässrigen sauren Lösungen verwendete Säure wird bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Salzsäure, Fluorwasserstoffsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Zitronensäure und Mischungen derselben besteht.
- Die erfindungsgemäße Methode für das Schützen einer Metalloberfläche gegen Korrosion, wenn sie mit einer wässrigen sauren Lösungen in Berührung kommt, besteht im Prinzip aus den folgenden Schritten: Kombinieren einer wirksamen Menge eines Korrosionshemmers, der eine Mischung von wie oben beschrieben hergestellten quartären Ammoniumverbindungen enthält, mit der wässrigen sauren Lösung und darauffolgendes Inberührungbringen der Metalloberfläche mit der wässrigen, den Korrosionshemmer enthaltenden, sauren Lösung.
- Die der Erfindung gemäß hergestellten quartären Ammoniumverbindungen weisen eine hohe Molmasse und einen hohen Grad an Aromatizität auf Des weiteren können sie kostengünstig aus den Destillationsverdampfer-Sumpfprodukten zubereitet werden, die bei der Destillation von pharmazeutischem Chinolin aus Kohlenteer hergestellt werden. Derartige Destillationsverdampfer-Sumpfprodukte enthalten bestimmte Mengen von Chinolin und dessen Derivaten, Isochinolin und dessen Derivaten und andere aromatische Aminverbindungen wie Pyridin, Picolin, Lutidin und dergleichen. Das aus Chinolin-Destillationsverdampfer-Sumpfprodukten bestehende Ausgangsmaterial ist im Handel beispielsweise von Crowley Coal Tar Products Company of New York, New York, unter dem Handelsnamen "INHIBITOR JTM" erhältlich.
- Es wird eine bestimmte Menge des Destillationsverdampfer-Sumpfprodukts mit Sauerstoff in Gegenwart eines Katalysators, z. B. Kupfer(I)-chlorid in einer Menge im Bereich von ca. 0,1 bis ca. 2 Gew.-%, auf das Destillationsverdampfer- Sumpfprodukt bezogen, bei einer Temperatur und für eine Zeit in Berührung gebracht, die ausreichen, um die darin enthaltenen aromatischen Amine zu oligomerisieren. Es wird angenommen, dass der Kontakt mit Sauerstoff zu einer Verkupplungsreaktion führt, durch die die aromatischen Amine oligomerisiert und dadurch ihre Molmasse und der Aromatizitätsgrad derselben insgesamt erhöht werden. Der Ausdruck "Oligomerisieren" wie er hier verwendet wird, bedeutet das Binden mehrerer aromatischer Amine aneinander und/oder an andere aromatische Verbindungen. Der Kontakt des Destillationsverdampfer-Sumpfprodukts mit Sauerstoff findet bevorzugt durch Durchperlen von Sauerstoff oder Luft durch das Sumpfprodukt mit einer Geschwindigkeit von ca. 2 · 10&supmin;&sup6; bis ca. 3 · 10&supmin;&sup5; Kubikmetern (ca. 2 bis ca. 30 Kubikzentimetern) pro Minute pro 100 ml Sumpfprodukt über eine Zeitspanne statt, die im Bereich von ca. 8 Stunden bis 48 Stunden liegt, während die Temperatur des Sumpfprodukts im Bereich von ca. 65ºC (150ºF) bis ca. 108ºC (ca. 225ºF) gehalten wird.
- Die Mischung oligomerisierter, durch Inberührungbringen der Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt mit Sauerstoff hergestellter aromatischer Amine wird mit einem Benzylhalogenid wie Benzylchlorid bei einer Temperatur über eine Zeitspanne reagiert, die ausreicht, um eine Mischung von quartären Ammoniumverbindungen hoher Molmasse und Aromatizität daraus zu bilden. Im Allgemeinen liegt die Menge von mit dem oligomerisierten Sumpfprodukt reagiertem Benzylhalogenid im Bereich von ca. 70 bis 100 Gew.-%, auf das Sumpfprodukt bezogen. Die Reaktion wird bei einer Temperatur, die im Bereich von ca. 65ºC (150ºF) bis ca. 108ºC (ca. 225ºF) liegt, über eine Zeitspanne von ca. 8 Stunden bis ca. 48 Stunden oder bis die Farbe der Reaktionsmischung von braun zu scharlachrot umschlägt, durchgeführt.
- Wie oben erwähnt ist die Mischung wie oben beschrieben hergestellter quartärer Ammoniumverbindungen äußerst aktiv und funktioniert ausgezeichnet als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren Lösungen.
- Die verbesserten, erfindungsgemäßen, metallkorrosionsgehemmten wässrigen sauren Lösungen bestehen aus Wasser, einer Säure und einer wirksamen Menge eines Metallkorrosionshemmers, der aus der äußerst aktiven Mischung quartärer Verbindungen besteht, die wie oben beschrieben aus Chinolin- Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt hergestellt werden.
- Bei dem zur Bildung der erfindungsgemäßen sauren Lösungen verwendeten Wasser kann es sich um irgendein wässriges Fluid handeln, das mit den Bestandteilen der gehemmten wässrigen sauren Lösung nicht negativ reagiert. Beispielsweise kann es sich bei dem Wasser um frisches Wasser, Sole, Salzlösungen und dergleichen handeln.
- Bei der verwendeten Säure handelt es sich bevorzugt um eine Säure, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Salzsäure, Fluorwasserstoffsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Zitronensäure und Mischungen derselben besteht. Bevorzugt liegt die Säure in einer Menge im Bereich von ca. 2 bis ca. 100 Gew.-%, auf die saure Lösung bezogen, und noch bevorzugter von ca. 5 bis ca. 38% vor.
- Der Metallkorrosionshemmer, der aus einer Mischung wie oben beschrieben hergestellter quartärer Ammoniumverbindungen besteht, liegt in der wässrigen sauren Lösung in einer Menge vor, die zur Verhinderung oder Reduzierung der Korrosion von Metalloberflächen, die mit der sauren Lösung in Berührung kommen, wirksam ist. Bevorzugt liegt der Korrosionshemmer in einer Menge im Bereich von ca. 0,05 bis ca. 3 Vol.-%, auf die Lösung bezogen, vor.
- Wie sich der Fachmann im Klaren sein wird, können die erfindungsgemäßen, die metallkorrosionsgehemmten, wässrigen sauren Lösungen eine Reihe verschiedener anderer Zusatzmittel wie acetylenische Alkohole, verschiedene Korrosionshemmungsverstärker, Sulfidfänger, Lösungsmittel, Tenside und andere Bestandteile enthalten, die gewöhnlich in azidifizierenden Zusammensetzungen verwendet werden und dem Fachmann bekannt sind.
- Die erfindungsgemäßen Methoden für das Schützen einer Metalloberfläche gegen Korrosion, wenn sie mit einer wässrigen sauren Lösung in Berührung kommt, bestehen im Prinzip aus folgenden Schritten: Kombinieren einer wirksamen Menge eines Metallkorrosionshemmers, der aus einer Mischung von wie oben beschrieben hergestellten quartären Ammoniumverbindungen besteht, mit der wässrigen sauren Lösung, gefolgt vom Inberührungbringen der Metalloberfläche mit der den Korrosionshemmer enthaltenden wässrigen sauren Lösung.
- Der aus einer Mischung verbesserter, erfindungsgemäßer quartärer Ammoniumverbindungen bestehende Metallkorrosionshemmer kann zwar mit einer jeglichen wässrigen sauren Lösung kombiniert werden, die bei irgendeiner Anwendung verwendet wird, um mit reaktionsfähigen Materialien in Berührung gebracht zu werden und diese zu lösen, so dass Metalloberflächen, die ebenfalls mit der sauren Lösung in Berührung kommen, daran gehindert werden, korrodiert zu werden, der Korrosionshemmer eignet sich jedoch besonders gut für die Verwendung in wässrigen sauren Lösungen, die für das Azidifizieren und das Zerklüftungs- Azidifizieren unterirdischer Formationen verwendet werden.
- Um die erfindungsgemäßen wässrigen sauren Zusammensetzungen und Methoden noch genauer zu veranschaulichen, wird nun folgendes Beispiel aufgeführt.
- Es wurde ein aus einer Mischung verbesserter erfindungsgemäßer quartärer Ammoniumverbindungen bestehender Korrosionshemmer durch Inberührungbringen von 100 ml 1 Gew.-% Kupfer(I)-chlorid enthaltendem Chinolin- Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt mit Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 2 · 10&supmin;&sup5; Kubikmetern (20 Kubikzentimetern) pro Minute über eine Zeitspanne von 24 Stunden bei einer Temperatur von 79,4ºC (175ºF) hergestellt. Das verwendete Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt wurde von Crowley Coal Tar Products Company unter dem Warennamen "INHIBITOR JTM" erhalten. Die dabei entstehende Mischung oligomerisierter aromatischer Amine wurde daraufhin mit 92 ml Benzylchlorid in Isopropylalkohol für 8 Stunden bei einer Temperatur von 107,2ºC (225ºF) reagiert. Ein Teil der dabei entstehenden Mischung quartärer Ammoniumverbindungen wurde mit anderen Bestandteilen unter Bildung einer ersten, die Korrosion hemmenden Rezeptur (als "Hemmer A" bezeichnet) wie folgt kombiniert:
- Tenside 18
- acetylenische Alkohole 5
- Lösungsmittel (Alkohole und Naphtha) 30
- Fettsäuren 30
- aus mit Sauerstoff behandelten Chinolin- Destillationsverdampfer-Sumpfprodukten hergestellte Mischung quartärer Ammoniumverbindungen 17
- 100
- Es wurde ein zweiter Korrosionshemmer wie oben beschrieben hergestellt; jedoch wurden die Chinolin-Destillationsverdampfer-Sumpfprodukte direkt mit dem Benzylchlorid reagiert, ohne zuerst mit Sauerstoff in Berührung gebracht zu werden. Daraufhin wurde dem Reaktionsprodukt ausreichend Kupfer(I)-chlorid zugegeben; um 1 Gew.-%, auf den Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt-Bestandteil bezogen, zu entsprechen. Die dadurch hergestellte Mischung wurde mit den gleichen Bestandteilen unter Bildung einer zweiten Korrosionshemmerrezeptur (als "Hemmer B" bezeichnet) wie folgt kombiniert:
- Tenside 18
- acetylenische Alkohole 5
- Lösungsmittel (Alkohole und Naphtha) 30
- Fettsäuren 30
- aus mit Sauerstoff behandelten Chinolin Destillationsverdampfer-Sumpfprodukten hergestellte Mischung quartären Ammoniumverbindungen 17
- 100
- 0,3 ml-Anteile Hemmer A und Hemmer B wurden mit 100 ml-Anteilen einer wässrigen Salzsäurelösung von 15 Gew.-%, die 2 Gew.-% eines ethoxylierten Amindispergiermittels und 2 Gew.-% einer die Schlammbildung verhindernden, Dodecylbenzolsulfonsäure enthaltenden Rezeptur enthalten, kombiniert.
- Die dadurch enthaltenen, korrosionsgehemmten Proben wurden auf 93,3ºC (200ºF) erhitzt und ein vorher gewogenes Prüfstück von N-80-Stahl wurde in jede Probe eingelegt, während die Temperatur der Proben 4 Stunden auf dem gleichen Niveau gehalten wurde. Nach den vierstündigen Prüfperioden wurde das Korrosionsprüfstück entfernt, gespült und gewogen, um die Korrosionsraten während der Tests zu bestimmen.
- Die Ergebnisse der Tests waren wie folgt:
- Folgenden Hemmer enthaltende Probe Korrosionsrate, kg pro Quadratmeter
- (Pfund pro Quadratfuß)
- Hemmer A 0,0146 (0,003)
- Hemmer B 0,1123 (0,023)
- Die obigen Testergebnisse zeigen, dass der Korrosionshemmer einen ausgezeichneten Schutz gegen die Korrosion bietet.
Claims (8)
1. Methode für die Herstellung einer Mischung quartärer
Ammoniumverbindungen, die als Metallkorrosionshemmer in wässrigen sauren
Lösungen nützlich sind, welche Methode Folgendes umfasst: (a) Inberührungbringen
von durch Destillation von Chinolin aus Kohlenteer erhaltenem
Destillationsverdampfer-Sumpfprodukt mit Sauerstoff in Gegenwart eines
Katalysators zum Oligomerisieren darin enthaltener aromatischer Amine, und (b)
Reagieren der oligomerisierte Amine enthaltenden Destillationsverdampfer-
Sumpfprodukte mit einem Benzylhalogenid unter Bildung einer Mischung quartärer
Ammoniumverbindungen.
2. Methode nach Anspruch 1, wobei der in Schritt (a) verwendete Katalysator
aus Kupfer(I)-chlorid besteht, das im Sumpfprodukt in einer Menge von 0,1 bis 2
Gew.-%, auf das Sumpfprodukt bezogen, vorliegt.
3. Methode nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sumpfprodukt in Schritt (a) mit
Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 30 Kubikzentimetern (2 · 106 bis 3 ·
10&supmin;&sup5; Kubikmetern) pro Minute pro 100 ml Sumpfprodukt in Berührung gebracht
wird.
4. Methode nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Sumpfprodukt in Schritt (a)
mit Sauerstoff bei einer Temperatur von 65 bis 108ºC (150 bis 225ºF) in Berührung
gebracht wird.
5. Methode nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das Sumpfprodukt in Schritt (a)
für eine Zeitspanne von 8 Stunden bis 48 Stunden mit Sauerstoff in Berührung
gebracht wird.
6. Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das oligomerisierte Amine
enthaltende Sumpfprodukt in Schritt (b) mit einer Menge Benzylhalogenid von 70
bis 100 Gew.-%, auf das Sumpfprodukt bezogen, reagiert wird.
7. Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das oligomerisierte Amine
enthaltende Sumpfprodukt in Schritt (b) bei einer Temperatur von 65 bis 108ºC (150
bis 225ºF) mit Benzylhalogenid reagiert wird.
8. Methode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei dem
Benzylhalogenid um Benzylchlorid handelt.
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