一种咪唑啉天然气减阻剂及其合成方法及应用
技术领域
本发明属于减阻剂技术领域，特别涉及一种咪唑啉天然气减阻剂及其合成方法及应用。
背景技术
作为一种高效清洁的能源，天然气已成为世界各国改善环境和促进经济可持续发展 的最佳选择，其需求量与日俱增。
天然气在管道内的流动几乎都为湍流流动，流体流经管道内壁粗糙表面时形成涡流， 涡流前后的流体会有一定的压力差别。压差(阻力损失)的大小与涡流区大小及涡流强度 有关，而涡流区的大小与管壁内壁的粗糙程度有关。在其他条件不变时，粗糙度越大，涡流区就越大，产生的阻力损失也就越大。
纵观现有减阻剂的化学成分及化合物结构，现有减阻剂基本都是基于以下的减阻机 理，具有表面活性剂类似结构特点的聚合物，其极性端牢固地粘附在管道内表面上，而非 极性端长链顺流向悬浮在管壁附近气流中，或者将聚合物充分溶解在某种溶剂中，调节聚 合物含量，使溶液具有一定的粘性和弹性，涂在壁面上形成弹性膜，将“气-固”界面变为“气-液”界面。因液体表面的粗糙度比固体表面小的多，形成的涡流区也就小的多， 从而能够大大减小了天然气和管道内壁之间的摩擦阻力，降低天然气输送过程中的压降和 能量损耗，提高管道输气量。
现有技术中公开了一种含氮类天然气减阻剂的合成方法，并用于气体管道的减阻增 输，以及采用三甲氧基硅烷和ɑ-十二烯为原料，在铂催化剂存在条件下，合成十二烷基三 甲氧基硅烷减阻剂。通过两步法合成的Mannich碱类减阻剂，可应用于天然气集输管道的减阻增输。
现有专利与文献所报道的天然气减阻剂都存在一些不足。主要是产品极性端单一， 吸附性弱，非极性端少(如十八醇磷酸酯铵盐类)，减阻效果不明显，溶解性差(如六元环烷基硅氧烷-磷酸酯类)，无法大规模应用于天然气管道减阻，因此应用范围受到很大的限制，对减阻效果还需进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种咪唑啉天然气减阻剂及其合成方法及应用，以解决上述 问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种咪唑啉天然气减阻剂，分子结构式如下式所示：
式中的R为长链羧酸，硬脂酸咪唑啉的反应R为C17H35，油酸咪唑啉的反应R为C17H33。
进一步的，一种咪唑啉天然气减阻剂的合成方法，包括以下步骤：
将四口烧瓶固定在油浴锅中，将其中三个接口分别安装分水器、回流冷凝器和搅拌器， 余下接口用磨口塞堵上；
按1.7：1的摩尔比例称取一定量的长链羧酸与二乙烯三胺备用，将长链羧酸加入反 应器中，通氮气排出仪器中空气；
将羧酸加热融化后，加入称量好的二乙烯三胺DETA，继续通氮气保护，防止二乙烯三胺氧化；
继续升温150℃进行常压蒸馏，反应4h；当不再有水分流出时，切换为减压装置，控制真空度在2.67kPa左右，控制减环化温度至要考察的温度，控制减压环化时间至要考察的时长，所得产物用溶剂重结晶，将样品干燥后得到的淡黄色粉末状固体即为产品。
进一步的，长链羧酸为脂肪酸或油酸的一种。
进一步的，控制减压环化温度至要考察的温度，该温度为150℃、160℃、170℃、180℃、 220℃的一个。
进一步的，控制减压环时间至要考察的时长，该时长为2h、3h、4h、5h、6h中的一个。
进一步的，重结晶所用的溶剂为无水乙醇或丙酮。
进一步的，一种咪唑啉天然气减阻剂的应用，减阻剂在天然气管道运输中的应用。
进一步的，通过将咪唑啉减阻剂配制成乙醇、汽油、柴油或丙酮溶液使用。
进一步的，咪唑啉减阻剂在所配制成溶液中的含量为5～200g/L。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明的咪唑啉天然气减阻剂主要优点是：在咪唑啉溶液的保护下，金属管道在酸 性介质的环境中，其表面能够形成咪唑啉吸附的薄膜，这层薄膜能够改变氢离子的氧化还 原电位，吸附的咪唑啉化合物也能够与溶液中的部分。氧化剂形成络合物，从而达到降低 电位、减缓腐蚀的目的。而且本发明合成方法简单、反应时间短、溶剂低毒无污染。
本发明产品作为天然气减阻剂，一般通过配置成乙醇、汽油、柴油或丙酮等溶液，用于天然气管道的减阻增输。除此之外，本发明产品还对天然气管道具有一定的缓蚀功能。
本发明产品均为白色固体，其使用方便，克服了现有天然气减阻剂吸附性差，减阻效果持续时间短的特点。本发明产品在金属表面具有良好的吸附性能和优良的减阻増输效果。
本发明天然气减阻剂的合成工艺简单，反应条件温和，反应时间短；同时本发明方法 对设备要求低，产率在70％以上，易于实现大规模工业化生产。
附图说明
图1和图2分别为实施例1所得产品的红外光谱图与原料脂肪酸的红外光谱图。
图3为空白钢片与喷涂实施例1所得减阻剂后钢片表面的SEM图。其中，(a)为空 白钢表面；(b)为成膜后的钢表面。
图4为实施例1所得减阻剂成膜后电极与空白电极的电化学极化曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图4，一种咪唑啉天然气减阻剂，分子结构式如下式所示：
式中的R为长链羧酸，硬脂酸咪唑啉的反应R为C17H35，油酸咪唑啉的反应R为C17H33。
一种咪唑啉天然气减阻剂的合成方法，基于权利要求1所述的咪唑啉天然气减阻剂， 包括以下步骤：
将四口烧瓶固定在油浴锅中，将其中三个接口分别安装分水器、回流冷凝器和搅拌器， 余下接口用磨口塞堵上；
按1.7：1的摩尔比例称取一定量的长链羧酸与二乙烯三胺备用，将长链羧酸加入反 应器中，通氮气排出仪器中空气；
将羧酸加热融化后，加入称量好的二乙烯三胺DETA，继续通氮气保护，防止二乙烯三胺氧化；
继续升温150℃进行常压蒸馏，反应4h；当不再有水分流出时，切换为减压装置，控制真空度在2.67kPa左右，控制减环化温度至要考察的温度，控制减压环化时间至要考察的时长，所得产物用溶剂重结晶，将样品干燥后得到的淡黄色粉末状固体即为产品。
本发明的咪唑啉天然气减阻剂的合成路线如下：
长链羧酸为脂肪酸或油酸的一种。
控制减压环化温度至要考察的温度，该温度为150℃、160℃、170℃、180℃、220℃的一个。
控制减压环时间至要考察的时长，该时长为2h、3h、4h、5h、6h中的一个。
重结晶所用的溶剂为无水乙醇或丙酮。
一种咪唑啉天然气减阻剂的应用，减阻剂在天然气管道运输中的应用。
通过将咪唑啉减阻剂配制成乙醇、汽油、柴油或丙酮溶液使用。
咪唑啉减阻剂在所配制成溶液中的含量为5～200g/L。
实施例：
实施例中所用的红外光谱仪为Nicolet380(北京客来得宝科技发展有限公司)，采用 JSM-840型扫描电子显微镜(上海品欧纳米材料科技有限公司)对浸泡后的样品进行扫描 测试，采用CHI600D型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)对所测试样品进行电化学测试和数据分析；所用到的室内环道测试评价装置为自制测试装置。
实施例1
将四口烧瓶固定在油浴锅中，将其中三个接口分别安装分水器回流冷凝器、搅拌器， 余下接口用磨口塞堵上；按1.7：1的摩尔比例称取一定量的脂肪酸与二乙烯三胺备用，将482.8g脂肪酸加入反应器中，通氮气排出仪器中空气；将脂肪酸加热融化后，加入称 量好的103.2g二乙烯三胺(DETA)，继续通氮气保护，防止二乙烯三胺氧化；继续升温 进行常压蒸馏，反应4h；当不再有水分流出时，切换为减压装置，控制真空度在2.67k Pa 左右，控制减环化温度为150℃，控制减压环化时间至要考察的时长为2h，所得产物用无 水乙醇作为溶剂重结晶，将样品干燥后得到的淡黄色粉末状固体即为产品，得到产品 378.8g,产率为72.2％。
本实施方法所得的产品结构式：
式中R为C17H35。
如图1所示为产品的红外光谱图。对比硬脂酸与合成的咪唑啉样品的红外谱图，观察 红外吸收峰峰位的变化，便于下文对比不同条件下合成的样品时能够更准确的找到咪唑啉 产品的特征峰。图1中，2915cm-1、2860cm-1的吸收峰分别是亚甲基的C-H反对称伸缩振动峰与C-H对称伸缩振动峰，长碳链中的-CH2-在720cm-1形成了C-H振动吸收峰， 1464cm-1处的吸收峰则为甲基面内振动吸收峰，上述几个吸收峰的位置都与图2中的峰位 相近，它们的存在证明了合成产品中的长碳链结构。图2中1703cm-1是硬脂酸中的羰基 的伸缩振动吸收峰，而在图1这个位置附近没有发现对应的吸收峰，说明硬脂酸全部与二 乙烯三胺发生了反应。在图1中还观察到了以下产品的特征谱峰：3306cm-1处是N-H伸 缩振动峰，1638cm-1是脂肪酰胺中的酰胺吸收谱峰，1543cm-1是产品中仲酰胺结构中的酰 胺吸收峰，1610cm-1处的吸收峰是证明产品确实是发生环化的关键峰位，这是分子结构中 咪唑啉环上的C＝N双键的伸缩振动吸收峰。通过对所有这些谱峰的分析可以看出，反应 中合成的产品确实是硬脂酸咪唑啉。
成膜性与稳定性测试。观察图3中成膜后的钢片可以看出，未成膜前钢片表面的凸峰 与凹谷已部分消失，金属表面粗糙度改善也非常明显，分析减阻剂的结构可以看出，硬脂 酸咪唑啉拥有咪唑啉环与酰胺基两个吸附位，而且拥有两个C17的非极性长链，因而该产品兼具优良的吸附性能与非极性长链的填充能力，对金属壁面能够起到明显的光滑平整效果。经过备选减阻剂溶液浸泡过的钢片，其表观形貌都发生了很大变化，钢片表面的加工缺陷得到备选减阻剂良好的填充，金属的粗糙纹理也被较好的吸附平滑，钢片表面的粗糙度明显降低，这说明研究中合成的减阻剂在钢片上吸附较好，形成了一层保护膜。
电化学测试。图4为空白电极和减阻剂成膜后的电化学极化曲线测试结果。从图4中可以看出，在硬脂酸咪唑啉的保护下，阴极极化曲线明显变陡，阳极极化曲线变化不明显，自腐蚀电位负移0.039V，自腐蚀电流对数值减小0.567，可见硬脂酸咪唑啉是典型 的阴极控制为主的混合型缓蚀剂。
室内环道测试分析表明，将该产品配成乙醇溶液，雾化注入环道内，测试压力为0.5-0.6MPa,当减阻剂浓度为25g/L,其平均减阻率为可达到9.2％，有效期超过60天。
实施例2
将四口烧瓶固定在油浴锅中，将其中三个接口分别安装分水器、回流冷凝器、搅拌器， 剩余接口用磨口塞堵上；按1.7：1的摩尔比例称取油酸与二乙烯三胺，将479.4g油酸加入反应器中，通氮气排出仪器中空气；由于油酸常温下为液体，为了保持工艺与硬脂酸的一致，将油酸加热至硬脂酸融化时的温度后，加入称量好的103.2g二乙烯三胺(DETA)， 继续通氮气保护，防止二乙烯三胺氧化；继续升温到150℃，进行常压蒸馏4h；当不再 有水分流出时，切换为减压环化装置，控制真空度在2.67kPa，控制减环化温度为150℃， 控制减压环化时间至要考察的时长为2h，由于所得产品常温下为深红棕色粘稠液体，且 在乙醇中拥有优良的溶解性能，所以没有对其进行重结晶操作。
室内环道测试分析表明，将该产品配成乙醇溶液，雾化注入环道内，测试压力为0.5-0.6MPa,当减阻剂浓度为25g/L,其平均减阻率为可达到8.6％，有效期超过60天。
本实施方式中得到的结构式为：
式中R为C17H33。
实施例3
本实施方法在反应步骤中减压环化温度为170℃，其他与实施例1相同。得到淡黄色 固体产品为369.3g，产率为70.4％。
实施例4
本实施方法在反应步骤中减压环化反应时间为3h，其他与实施例1相同。得到淡黄色固体产品为392.4g，产率为74.8％。
实施例5
本实施方法在反应步骤中重结晶所用溶剂为丙酮，其他与实施例1相同。得到淡黄色固体产品为376.7g，产率为71.8％。
