Проектно-исследовательская работа "Ингибиторы на службе человека"
проект по химии (10 класс) на тему

Открытая

Международная

научно-исследовательская

конференция

старшеклассников и студентов

«Образование. Наука. Профессия»

Секция: «Химия»

«Ингибиторы на службе человека»

Автор:                Федорин Никита Олегович

                           10А класс

                         Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

                         «Средняя школа №21»

Руководитель: Любченко Наталья Григорьевна

                          Учитель химии

                          Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение                

                          «Средняя школа №21»

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

Ханты-Мансийский автономный округ – Югра (Тюменская область)

город Нижневартовск

2014

Рецензия

на научно-исследовательскую работу

обучающегося 10 А класса МБОУ «СОШ №21»

Федорина  Никиты Олеговича

по теме: «Ингибиторы на службе человека»

         Данная работа представляет собой изучение стратегически важных веществ – ингибиторов, их видов и действия этих веществ по снижению агрессивности среды. Работа состоит из введения, основной части, практической (исследовательской) и заключения.

        Во введении дается четкое определение понятия «ингибиторы» и рассматривается история развития вопроса,  и его актуальность.

        В основной части рассмотрены виды ингибиторов, требования, предъявляемые к ингибиторам.

       Практическая часть работы показывает как подбираются ингибиторы на нефтяных  месторождениях нашего города в зависимости от агрессивности перекачиваемых вод, как они подаются, как действуют на нефтепромысловое оборудование.

      Особое место в работе занимает вопрос снижения коррозийной агрессивности среды, что способствует уменьшению износа и порывов труб в десятки раз. Решается вопрос о сохранности металлических конструкций, преждевременного выхода из строя дорогостоящих изделий, стратегически важных сооружений.

       Следует обратить внимание, что использование ингибиторов на нефтепромысловых месторождениях идет после предварительных лабораторных испытаний, где определяется вид используемого ингибитора, оптимизируется дозировка и периодичность обработки.

       Наибольшую ценность в работе представляет постановка экономического вопроса использования ингибиторов. Изучение, испытания ингибиторов позволили нефтяникам отказаться от покупки импортных, не всегда эффективных средств защиты, и использовать отечественные ингибиторы.

Председатель экспертной группы

школьного научного общества           ________________________Е.А.Левицкая

Содержание.

Введение………………………………………………………………………………………..   4  

1. Что такое коррозия………………………………………………………………………5
2. Что усиливает, ослабляет коррозию…………………………………………………....5
3. Что такое ингибиторы…………………………………………………………………...6
4. История работы над ингибиторами…………………………………………………….6
5. Виды ингибиторов……………………………………………………………………….7
6. Требования к ингибиторам……………………………………………………………...8
7. Методика проведения исследований…………………………………………………...9

7.1 Классификация агрессивности перекачиваемых вод………………………………….10

7.2 Ингибиторы на нефтепромысловых трубопроводах…………………………………..11

7.3 Лабораторное исследование…………………………………………………………….12

8) Вывод………………………………………………………………………………………13

Список литературы…………………………………………………………………………..14

Аннотация…………………………………………………....................................................14

Введение.

        Я взял тему «Ингибиторы» потому, что  заинтересовался, возможностью снижения износа трубопроводов при транспорте жидкостей. Мне хотелось узнать, что такое ингибиторы и как они действуют.

         Вот некоторые факты, которые подтолкнули меня к способам и методам примерения ингибиторов.

          Ежегодно в мире по причине коррозии теряется 20 млн. тонн металла, в России – 5-6 млн.тонн.  Наряду с затратами на восстановление трубопроводов, не менее существенными являются косвенные потери, которые могут привести к человеческим жертвам: взрыв газо– и нефтепроводов, прорыв водопровода, поломка деталей автомобилей, износ металлоконструкций зданий, мостов, разрушение памятников и т.д.

          Коррозия металла приводит не только к безвозвратным потерям, но и к преждевременному выходу из строя дорогостоящих изделий, оборудования и стратегически важных сооружений.

                  Именно поэтому металлические и железобетонные конструкции, применяемые в строительстве, должны быть надежно защищены от воздействия окружающей среды и в первую очередь от коррозии.

          Экономический ущерб от коррозии.

          Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение этой проблемы является важной задачей. Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почему ежегодные потери от нее в промышленно развитых странах столь велики.

         В США ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1% от ВВП. (276 млрд. долларов).

        В Германии это ущерб составил 2,8% от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4% валового внутреннего продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20% годового производства стали.  Так коррозия стала причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники подъемного механизма проржавели и обрушения в 1967 году Серебряного моста, который являлся основным транспортным путем между Западной Виржинией и Огайо.

1. Что такое коррозия

            Коррозия (от лат. corrosio – разъединие) – это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это разрушение любого материала. Будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример – кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н2О + 3О2 =4Fe(ОН)3. Гидратированный оксид железа Fe(ОН)3 и является тем, что называют ржавчиной.

         В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще использует термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия. Скорость коррозии, как и всякий химической реакции, очень сильно зависит от  температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.

2. Так что же усиливает (ослабляет) коррозию?

Усиливает:

1. При соприкосновении двух разных по активности металлов, увеличивается коррозия более активного металла.
2. Присутствие хлорида натрия (NaCI);
3. Содержание хлорид – ионов в омывающей среде металла.

       Ослабляет:

1. Коррозия ослабляется в присутствии гидроксид – ионов.
2. Присутствие гидроксида натрия.
3. Применение ингибиторов.  
4. Изоляция от внешней среды поверхности металла, лаками, красками, смазками, защитными слоями других металлов.

3. Что такое ингибиторы

1)  Ингибиторы  - это вещества тормозящие химические процессы.

2) Ингибиторы   - это вещества реагирующие с активными частицами, с образованием малоактивных соединений, замедляющие протекание реакции.

3) Ингибитор  - вещество, замедляющее или предотвращающее течение какой-либо химической реакции: коррозии металла, старения полимеров, окисления топлива и смазочных масел, пищевых жиров и др.

4) Ингибитор по - русски тормозитель, от латинского слова inhibire – тормозить. Ингибитор добавленный в небольшом количестве, задерживал (тормозил) процесс растворения металла в кислоте.

4. История работы над ингибиторами

        В Древнем Египте за 3-4 тысячи лет до н.э. умели выплавлять металлы (железо, медь, олово и т.д.) получать их сплавы, одновременно возникла проблема их сохранения от разрушения. Вопрос о защите металла от коррозии имеет тысячелетнюю историю. Еще дамасские оружейники для снятия окалины и ржавчины пользовались раствором серной кислоты с пивными дрожжами, мукой, крахмалом и декстринами. Уральские оружейники использовали растворы кислот с отрубями или крахмалом, которые они называли «травильными супами».

         Очень остро стоял вопрос о снятии ржавчины в годы войн. Фронт требовал все нового и нового вооружения, и одним из источников, помимо того, что изготовлялось на заводах, было возвращение в строй орудий, выведенных из строя в результате коррозии.

       В 1943 году группой советских ученых был проведен эксперимент. В обычную цистерну залили 20-процентный раствор соляной кислоты, и под наблюдением комиссии, цистерна была отправлена в Ишимбай, на нефтяные промыслы Башкирии. Продолжительность пути, тряска, долгое стояние  на солнцепеке – все выдержала стальная цистерна, заполненная соляной кислотой. Почему же соляная кислота, так быстро разрушающая железные и стальные изделия, не разрушила стенки цистерны?

       Дело в том, что в кислоту было добавлено небольшое количество около 0,8%, особого вещества, которое называлось уникол. Здесь уникол играл роль ингибитора. Ингибитор задерживал процесс растворения металла в кислоте. В трудные военные годы советские ученые искали ингибиторы прежде всего не для перевозки соляной кислоты, а для того чтобы решить  важную задачу удаления ржавчины с оружия, в частности, с того, что собиралось на полях сражений.

      Ингибиторы, получаемые из растений, в том числе из мучных отрубей, были малоэффективны, поэтому ученые всех стран, в том числе и советские, настойчиво и упорно занимались и занимаются разработкой синтетических ингибиторов, которые были бы более эффективны.

       Наряду с ингибиторами применяют вещества, которые так же замедляют разрушение металлов в нейтральных растворах, преимущественно в воде и водных растворах солей. Название этих веществ – пассиваторы. Они вступают в соединение с поверхностными ион-атомами металла, образуя химические соединения. Эти химические соединения покрывают пленкой  поверхность металла и таким образом нарушают систему гальванических элементов на поверхности металла. В качестве пассиваторв в нейтральных средах широко применяются растворимые фосфаты, например Na3 РО4 , хроматы, в частности дихромат калия К2Сr2 О7 , соду Na2 СО3 , растворимое стекло Na2Si СО3 и др.

        К ингибиторам преимущественно относятся органические соединения. Наиболее широко распространены и изучены из них азотосодержащие органические основания, альдегид, формальдегид, алкалоиды, белки, серосодержащие органические вещества, а так же продукты конденсации альдегидов и аминов. Наиболее эффективны смешанные ингибиторы, представляющие собой смесь нескольких веществ.

5. Виды ингибиторов

Классификация ингибиторов:

1. Ингибиторы коррозии.

       1.2. Ингибиторы кислотной коррозии.

       1.3. Ингибиторы водной коррозии.

       1.4. Ингибиторы атмосферной коррозии.

       2) Ингибированные масла и смазки.

       3) Пленочные покрытия.

        4) Ингибиторы полимеризации.

        5) Ингибиторы окисления.

6. Требования к ингибиторам

1. К ингибиторам коррозии.

Общие требования к ингибиторам коррозии:

1. Все применяемые ингибиторы, особенно ингибиторы атмосферной коррозии, должны строго отвечать санитарно-гигиеническим нормам и не иметь неприятного запаха.
2. Иметь высокую стабильность против окисления.
3. Обладать устойчивостью при перепадах температур.
4. Моментально действовать при введении в коррозионную среду.
5. Обладать определенным максимумом защитного действия при минимальной концентрации ингибитора.
6. Ингибиторы нужно получать на основе дешевого и доступного сырья.

К ингибиторам, применяемым при перевозке кислот в металлических стальных емкостях, предъявляются следующие требования:

1. Ингибитор должен полностью защищать металл от разрушения.
2. Эффективность не должна заметно меняться с температурой, в пределах температурных условий перевозки и хранения кислот.
3. Не коагулировать (не выпадать в осадок) в течение достаточно длительного времени.
4. Сохранять физико-химические свойства металла. Предохранять его от коррозийного растрескивания и не ухудшать его механических свойств.

При химической очистке поверхности металлических изделий от окалины и продуктов коррозии ингибиторы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Не влиять на скорость растворения продуктов  коррозии (окалины, ржавчины).
2. Защитные свойства ингибиторов не должны ослабляться в присутствии ионов Fe3+ 
3. Предохранять металл от поглощения водорода.
4. Практически, при использовании ингибиторов в процессе кислотной очистки металлов от оксидов допустимо выделение небольших количеств водорода, пузырьки которого способствует лучшему отслаиванию продуктов коррозии от поверхности металлов.

Требования к ингибиторам атмосферной коррозии.

Эти ингибиторы делятся на летучие и контактные. При применении летучих ингибиторов непосредственный контакт вещества и защищаемого металла необязателен. Для контактных ингибиторов необходимо их присутствие хотя бы на части поверхности металла. При применении как летучих, так и контактных ингибиторов должны выполняться следующие требования:

1. Ингибитор должен иметь строго определенное давление пара (летучесть) или являться поверхностно активным металлом.
2. Не изменять  ингибирующих свойств при повышении влажности атмосферы.
3. Обладать термической устойчивостью. Не подвергаться гидролизу и не разлагаться при возможных колебаниях температуры.
4. Необходимо учитывать селективность действия на различные металлы и сплавы. Это диктуется тем обстоятельством, что один и тот же ингибитор может оказывать на различные металлы неодинаковые и даже противоположное действие.
5. В ряде случаев удовлетворение требований защиты металлов достигается подбором смеси ингибиторов.

Дополнительные требования, обусловленные жидким состоянием агрессивной среды, таковы:

1. Эффективность ингибиторов, вводимых в окружающую среду жидкость, должна проявляться при их концентрации от 0,01 до 0,1%.
2. Высокие защитное действие ингибиторов должно сохраняться при изменении температуры как газообразной, так и жидкой фаз.
3. При защите металлов в жидкой среде необходим, чтобы ингибитор эффективно действовал не только в статических но и динамических условий.
4. При использовании ингибиторов необходимо, учитывать химическую природу среды.

        7. Методика проведения исследований

7.1 Классификация агрессивности перекачиваемых вод

Коррозионная агрессивность среды характеризуется природой и количеством растворенных солей (растворенные в воде соли являются электролитами, поэтому  увеличение их  концентрации до определенного  предела повысит электропроводность среды и следовательно ускорит процесс коррозии), водородным показателем, жесткостью воды, содержанием растворенных кислых газов.

Степень влияния этих факторов зависит от давления, температуры, режима течения жидкости (структура потока) и обводненности продукции (количественное соотношение объема воды в общем объеме водонефтяной смеси)

По степи минерализации пластовые/нефтепромысловые воды разделяют на 4 группы:

По ионному составу пластовые/нефтепромысловые воды по классификации Сулина В.А. образуют 4 типа:

• Сульфатно-натриевые
• Гидрокарбонатно-натриевые
• Хлоридно-магниевые
• Хлоридно-кальциевые

Классификация агрессивности перекачиваемых вод

7.2. Ингибиторы на нефтепромысловых трубопроводах

          Ингибиторы коррозии – вещества, добавляемые в малых концентрациях в промысловые растворы для снижения и контроля коррозионной агрессивности сред, предотвращения, либо контроля скорости коррозии металлов  и сплавов, контактирующих с ними, и подверженных разрушительному действию коррозии.

         Классификация ингибиторов коррозии:

• По составу: органические, неорганические
• По области применения: ингибиторы кислотной коррозии, ингибиторы коррозии в нейтральных средах (морская и пресная вода, солевые растворы), и ингибиторы в щелочах.
• По условиям применения: низко и высокотемпературные, водорастворимые и нефтерастворимые и т.д.
• По механизму действия: адсорбционные и пассивирующие

     Для защиты трубопроводов от коррозии применяют технологические и

химические ингибиторы.

       Ингибиторная защита является одним из самых эффективных методов защиты трубопроводов от коррозии.

        Для нефтепромысловых трубопроводов применяют органические ингибиторы коррозии водорастворимые и нефтерастворимые, при этом наиболее эффективными оказались ингибиторы коррозии пленочного (адсорбционного) действия.

       Для защиты нефтепромысловых трубопроводов чаще всего применяют два способа ввода ингибитора в трубопровод: периодическую обработку и постоянное дозирование.

• Технология периодической обработки заключается в однократных обработках концентрированным растворам раствором реагента внутренней поверхности для формирования на ней защитной пленки. По способу однократной обработки применяются ингибиторы, образующие и сохраняющие длительное время устойчивые защитные пленки на поверхности металла. Ингибитор подается в трубопровод в состоянии поставки или в виде концентрированного раствора в течение непродолжительного времени, необходимого для формирования защитной пленки на поверхности трубопровода. Для дозирования ингибитора в виде «пробки» применяются передвижные насосные агрегаты типа ЦА-320, «Бакинец» и др. «Пробка» ингибитора в головной части трубопровода в специальной байпасной линии. Допускается  формирование «пробки» непосредственно в действующем трубопроводе при условии кратковременной остановки перекачивающих насосов во время закачки ингибитора (РД 39.23-1208-84). При этом должна быть учтена скорость проталкивании пробки ингибитора, которая определяется из условий, обеспечивающих равномерное распределение реагента по сечению потока.
• Технологию постоянного дозирования заключается в постоянном насыщении малыми дозами реагента с периодической подачей повышенных (ударных) доз для создания защитной пленки и непрерывного поддержания ее экранирующих свойств. По способу постоянного дозирования применяются ингибиторы, образующие неустойчивые защитные пленки, требующие непрерывной подачи небольших доз реагента для поддержания экранирующих свойств пленки ингибитора.

        В каждом конкретном случае продолжительность и периодичность обработок, а также расход ингибитора уточняются опытным путем в процессе пробных закачек – опытно-промышленных испытаний с учетом получения требуемого эффекта защиты (не менее 83% - 90%).

        Технология постоянного дозирования, наиболее контролируемая и гибкая, является наиболее предпочтительной.

7.3 Лабораторные исследования защитных свойств ингибиторов.

           Перед  допуском на промыслы ингибиторы должны успешно пройти предварительные лабораторные испытания.

          В ходе проведения лабораторных испытаний ингибиторов оцениваются его защитные, транспортные и технологические, физико–химические свойства. Для проведения работ разрабатывается соответствующий протокол испытаний с учетом конкретных условий эксплуатации объектов, на которых планируется их применение.

         К защитным свойствам относится способность снижать коррозионную агрессивность среды, замедлять растворение металла, и устойчивость пленки в существующих условиях потока.

         К транспортным характеристикам относятся растворимость и распределение между нефтяной и водной фазами, влияющие на процесс формирования и поддержания работоспособного состояния пленки.

         К технологическим характеристикам – относятся свойства характеризующие возможность применения без нарушения технологических процессов добычи, транспорта, подготовки и переработки нефти, включая саму ингибиторную защиту, и его технические характеристики (соответствие ТУ)

         Для оценки защитной способности ингибитора моделируются основные условия протекания коррозии – создают модель воды – дистиллированную воду, в которую добавляют соли различного  состава и концентраций, таким образом, чтобы ионный состав и общая минерализация модели соответствовали характеристикам исследуемой водной среды. Тест проводят в специальных стеклянных сосудах, оборудованных датчиками для замера скорости коррозии и слежения за изменением коррозионной  агрессивности среды. Эксперимент проводят в условиях отсутствия растворенного кислорода для чего проводят постоянный барботаж углекислым газом, участвующим основным коррозионно-агрессивным газовым агентом. Замеры скорости коррозии проводят и фиксируют через определенные промежутки времени и строят график изменения скорости коррозии во времени.

Путем сравнения значений скорости коррозии “до” и “после” ввода ингибитора в систему, определяют защитный эффект в числовом выражении.

Вывод: После исследований я пришел к такому выводу, что ингибиторы действительно уменьшают коррозионную активность воды. Применение ингибиторов значительно облегчит содержание нефтяных месторождений и водных резервуаров.

Литература

Л.Аликберова «Занимательная химия»

Белоцветов А.В., Бесков С.Д., Ключников Н.Г. Химическая технология – М.:

Просвещение, 1976г.

Гроссе Э., Вансмантель Х., Химия для любознательных. -2-е издание, Ленинградское отделение, 1985г.

Некрасов Б.В. Основы общей химии,1997г.

Новая иллюстративная энциклопедия. Т.4- М. ООО «Мир книги», 2001г.

Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия.-2-е издание, Санкт – Петербургское отделение, 1995г.

Общая химия под ред. Е.М.Соколовой, Г.Д. Вовченко, Л.С.Гузея.-32-е издание, Московского университета, 1980г.

Фримантл М., Химия в действии.- Т.2.- М.Мир, 1991г.