手机知网 App
24小时专家级知识服务
打 开
手机知网|搜索

高含H_2S、CO_2油气田缓蚀剂的设计与合成

胡松青

  H_2S、CO_2腐蚀是世界石油工业中常见的腐蚀类型,对我国石油工业的发展也产生了非常大的影响。在H_2S、CO_2腐蚀防护中,使用缓蚀剂是国内外腐蚀防护的一种重要手段。目前所报道的缓蚀剂中抗高浓度H_2S和高浓度CO_2腐蚀的不多,并且价格较高,针对性很强,有待进一步研究开发。本文选取油田常用的15种十一烷基咪唑啉类缓蚀剂为研究对象,将应用在药物分子设计方面的定量构效关系方法移用到缓蚀剂分子设计上,通过分子动力学模拟和量子化学方法对设计出的新分子可能具有的缓蚀性能进行了理论预测,并采用实验方法对设计结果进行验证。通过系统的分析研究得到如下结果: 采用量子化学密度泛函理论(DFT)和多元回归分析方法对15种十一烷基咪唑啉衍生物缓蚀剂的反应活性及微观结构与其抗H_2S、CO_2缓蚀效率之间的关系进行了研究,建立了缓蚀剂缓蚀性能预测的QSAR模型,结果表明,分子的反应活性区域和活性位点主要集中在咪唑啉分子的头部,咪唑环和亲水取代基上的杂原子是分子的主要活性位点,而烷基尾链对活性几乎不产生影响;电子转移参数ΔN、咪唑环上非氢原子净电荷之和ΣQring及分子极化率α对咪唑啉类缓蚀剂的缓蚀性能有很大的贡献,增加分子的ΔN和α值、降低ΣQring能显著改善缓蚀剂的缓蚀效率。在QSAR研究的基础上,结合软硬酸碱(SHAB)理论和分子内协同效应,通过改变取代基R2上的基团或原子来改变缓蚀剂分子结构参数值如ΔN,ΣQring、α,设计了4个烷基链长为11的新缓蚀剂分子。QSAR模型预测结果表明所设计的4个缓蚀剂分子都具有较好的抗H_2S、CO_2腐蚀性能。 根据前人的研究结果,对所设计的四种新型咪唑啉缓蚀剂分子的烷基链长度进行了修正,并采用分子动力学模拟(MD)和量子化学计算(QC)相结合的方法对所设计的新缓蚀剂分子进行理论筛选和评价。MD结果表明,当亲水官能团相同时,烷基链长为15的分子较烷基链长为11、17的分子具有更大的吸附能。烷基链长为15的四种新缓蚀剂分子A、B、C、D与金属界面发生吸附时,分子上的咪唑环和亲水支链优先吸附,烷基长链以一定的倾角远离金属表面,形成一层疏水膜,阻碍腐蚀介质向金属表面迁移;分子在Fe表面的吸附稳定性按D、C、A、B的顺序逐渐减弱。QC结果显示,A、B、C、D分子的反应活性主要分布在咪唑环和亲水支链上,具有多个反应活性位点,能在金属表面形成多中心吸附。D分子具有最强的反应活性,C、A、B分子的反应活性依次减弱。 采用溶剂法对所设计的前三种分子进行了合成,并采用失重法和电化学极化曲线及交流阻抗等方法对其在H_2S/CO_2共存的盐溶液中对Q235钢的缓蚀性能进行了评价,结果表明三种缓蚀剂都具有较好的缓蚀性能,其平均最佳缓蚀效率分别为92.96%、90.72%、94.36%,最佳缓蚀剂添加浓度为100mg/L,验证了计算机模拟方法进行分子设计的正确性。 最后,采用失重法研究了1-(2-甲基-硫脲乙基)-2-十五烷基-咪唑啉(B)与2-氨基噻唑(AT)复配对Q235钢在CO_2/H_2S共存盐溶液中缓蚀协同作用,结果表明,相同条件下复配缓蚀剂的缓蚀性能较复配前有了较大的提高,在含有50mg/L缓蚀剂B的腐蚀溶液中加入AT的浓度达到200mg/L时其缓蚀效率为97.63%,并通过两者复配的协同参数证明了协同效应的存在。B+AT的加入能够显著增加腐蚀反应的表观活化能,其在Q235钢表面的吸附符合Langmiur吸附等温式,吸附过程为自发的放热过程,也是熵减小的过程,吸附方式为以化学吸附为主的混合吸附。……   
[关键词]:咪唑啉化合物;定量构效关系;缓蚀机理;协同效应
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国石油大学2010年