[0001] Polyfunktionelle Demulgatoren für Rohöle
[0002] Das geförderte Rohöl enthält zumeist eine Reihe störender Begleitstoffe, wie Wasser,
anorganische Salze sowie Paraffine und Asphaltene, die vor dem Transport oder der
Lagerung üblicherweise entfernt werden. Durch Wasser-in-Öl-Emulsionen treten vielfach
Korrosion und mikrobiologisches Wachstum in den wasserbenetzten Teilen der Rohrleitungen
und Tankanlagen auf. Durch den Einsatz geeigneter Demulgatoren werden die Wasser-in-Öl-Emulsionen
gespalten und damit der Wasser- und Salzgehalt des Rohöles gesenkt. Enthalten die
Rohöle größere Mengen an Paraffinen und Asphaltenen, besitzen sie einen hohen Stockpunkt,
was teilweise in den Fördersonden und besonders in den Rohrleitungen zu Ablagerungen
führt und die Förderung und Verpumpung des Rohöls zum Erliegen bringen kann.
Um diese Nachteile zu vermeiden, war es bisher üblich zur Demulgierung, Korrosionsinhibierung,
Desinfektion und Inhibierung der Paraffin- und Asphaltenablagerung dem Rohöl spezielle
Additive zuzusetzen.
[0003] Die US-A-2 557 081 beschreibt den Einsatz von oxalkylierten Alkylphenolformaldehydharzen
als Demulgatoren.
Aus US-A-2 674 619 und US-A-2 677 700 ist der Einsatz von Polyalkylenoxidblockpolymeren
als Demulgatoren bekannt.
Die US-A-3 974 220 beschreibt die Verwendung von Alkyldiaminsalzen und Alkylammoniumverbindungen
als Demulgatoren mit korrosionsinhibierender Wirkung.
Aus EP-A-186 009 ist der Einsatz von oxethylierten Aminen, auch in Kombination mit
Ethylencopolymerisaten, als Stockpunktserniedriger bekannt.
[0004] Trotz der bekannten Additive ist es nach wie vor wünschenswert, Verbindungen zu besitzen,
welche eine Verwendung als Korrosionsinhibitor, Demulgator und Stockpunktserniedriger
ermöglichen.
[0005] Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von oxalkylierten Fettaminen und Fettaminderivaten
der allgemeinen Formel (I)

wobei
A ein Rest der Formel (II) - (V)

mit R gleich C
6-C
22-Alkyl, vorzugsweise C
8-C
18-Alkyl
x eine Zahl von 5 bis 40, vorzugsweise 8 bis 20,
y eine Zahl von 5 bis 70, vorzugsweise 10 - 30, und z gleich 0 - 70 Gew.-%, vorzugsweise
0 - 40 Gew.-% Ethylenoxid bezogen auf eine oxalkylierte Vorstufe der Formel (I), worin
z 0 ist,
als Demulgatoren, Korrosionsinhibitoren und/oder Stockpunktserniedriger.
[0006] An den freien Valenzen der Stickstoffatome der Reste der Formel (II) bis (V) befinden
sich Reste der allgemeinen Formel (I) ohne A.
Die Verbindungen der Formel (I) werden durch Umsetzung von Aminen der Formel (II)
bis (V) mit Ethylenoxid und Propylenoxid unter Zusatz von Basen, wie Alkalimetallhydroxiden,
hergestellt.
[0007] Die Umsetzung erfolgt in mehreren Stufen bei Temperaturen im Bereich von 100 - 150
°C, bevorzugt 130 - 140 °C. Die Menge an eingesetztem Katalysator/Base liegt üblicherweise
bei 0,5 bis 3,0 Gew.-%, bezogen auf das eingesetzte Ausgangsamin. Die Molmenge an
Ethylenoxid und Propylenoxid pro Mol Ausgangsamin entspricht den angegebenen Werten
für x und y und den angegebenen Gewichtsprozenten für z.
[0008] Bei der bevorzugten Herstellungsform der oxalkylierten Fettamine und Fettaminderivate
der Formel (I) wird das vorgelegte Amin der Formel (II), (III), (IV) und/oder (V)
auf eine Temperatur von ungefähr 130 bis 140 °C erhitzt und zunächst mit 1 Mol Ethylenoxid
pro Äquivalent NH-Funktion umgesetzt, worauf das Alkalihydroxid als Pulver oder in
Form einer wäßrigen Lösung zugegeben wird. Bei Zugabe einer wäßrigen, bevorzugt 40
gew.-%igen wäßrigen Lösung ist es erforderlich, vor der Zugabe der Restmengen an Ethylenoxid
das vorhandene Wasser zu entfernen. Dies geschieht auf einfache und schonende Weise
durch Anlegen von Vakuum. Das erhaltene, alkalisierte Oxethylat wird nun ebenfalls
bei 130 °C mit der gewünschten Restmenge an Ethylenoxid umgesetzt. Nach Beendigung
der Ethylenoxid-Zugabe wird das Reaktionsgemisch über mehrere Stunden bei einer Temperatur
von ungefähr 130 bis 140 °C zur Nachreaktion gehalten. Das Reaktionsende wird durch
Druckkonstanz bei ungefähr einem bar angezeigt. Es hat sich gezeigt, daß es wegen
der exothermen Reaktion von Vorteil ist, die genannte Restmenge an Ethylenoxid in
mehreren Stufen zuzugeben. Dies läßt sich durch eine schrittweise Zugabe in kleinen
Mengen oder eine kontinuierliche Zugabe erreichen. Die Reaktionstemperatur liegt im
Bereich von 130 bis 140 °C und der Druck beträgt ungefähr 3 - 4 bar. Je nach Menge
an Ethylenoxid dauert die Zugabe mehrere Stunden, im Durchschnitt 6 - 8 Stunden. Nach
beendeter Zugabe wird wie erwähnt, die Reaktionsmischung über mehrere Stunden, bevorzugt
2 Stunden, bei einer Temperatur von 130 bis 140 °C gehalten. Das Reaktionsende wird
durch Druckkonstanz bei ungefähr einem bar angezeigt.
Das erhaltene, fertige Oxethylat wird in einer weiteren Stufe mit Propylenoxid umgesetzt.
Diese Zugabe des Propylenoxids erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis
150 °C, bevorzugt im Bereich von 130 - 140 °C, wobei üblicherweise die gewünschte
Menge an Propylenoxid in dem Maße zugeben wird, wie dessen Umsetzung erfolgt. Während
der Zugabe steigt der Druck im Reaktionsgefäß auf ungefähr 3 - 4 bar an. Nach erfolgter
Zugabe, die im Regelfall bis zu 10 Stunden dauert, wird die Reaktionsmischung bei
einer Temperatur im Bereich von ungefähr 130 bis 140 °C gehalten, bis das Reaktionsende
durch Druckkonstanz im Bereich von einem bar angezeigt ist.
[0009] Die so hergestellten ethoxylierten und propoxylierten Verbindungen der Formel (I)
können in einer weiteren Stufe mit zusätzlichem Ethylenoxid umgesetzt werden. Die
dabei zugebenen Menge liegt im Bereich von 0 bis 70 Gew.-% Ethylenoxid, bezogen auf
eine oxalkylierte Vorstufe der Formel (I), worin z 0 ist. Diese zusätzliche Zugabe
an Ethylenoxid nach der bereits erfolgten Propoxylierung erfolgt analog der Umsetzung
mit Propylenoxid, wobei auf eine zusätzliche Alkalisierung verzichtet werden kann.
Die Verbindungen der Formel (I) finden Verwendung als Additive für Rohöle, wobei sie
die sowohl als Demulgatoren, Korrosionsinhibitoren und Stockpunktserniedriger wirken.
Herstellungsbeispiele
[0010] Die nachfolgend zur Charakterisierung verwendeten Begriffe wie Alkalizahl und lod-Farbzahl
werden wie folgt bestimmt oder ermittelt:
Bestimmung der Alkalizahl:
[0011] Zur Bestimmung der Alkalizahl, angegeben in mg KOH/g Substanz wiegt man 0,1 bis 0,5
g der Probe in einem 150 ml Becherglas, löst in 60 bis 80 ml Ethanol und titriert
mit 0,1 N ethanolischer Kaliumhydroxidlösung. Die Endpunktanzeige erfolgt potentiometrisch
(Geräte: Metrohm Titroprozessor 682, Dosimat 665 mit kombinierter pH-Glaselektrode).
Iod-Farbzahl:
[0012] Die Iod-Farbzahl bedeutet die Konzentration an freiem Iod in einer Iod-Iodkaliumlösung
(in mg Iod je 100 ml Iod-Iodkaliumlösung) und dient zur Kennzeichnung der Farbe bzw.
Lichtdurchlässigkeit dieser Lösung und ähnlichartiger Flüssigkeiten. Grundlagen zur
Bestimmung der Iod-Farbzahl ist die Iod-Farbskala (Vergleichsröhrchen). Literatur:
DIN 53403.
[0013] Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung
ohne diese zu beschränken.
Beispiel 1
1. Stufe:
[0014] In einem 1 Liter-Rührautoklaven werden 50 g (0,19 mol) Talgfettamin (Amin der Formel
(I) mit R = C
14-(5 %), C
16-(30 %), C
18-(5 %)-Alkyl; Jodzahl = 45; Alkalizahl: 210 mg KOH/g Substanz; Molmasse: 267, vorgelegt
und auf 130 °C erhitzt. Bei dieser Temperatur werden 16,7 g (0,38 mol) Ethylenoxid
(EO) zugegeben. Der Druck steigt dabei auf 4 bar. Nach beendeter Zugabe läßt man 2
h bei 130 °C nachreagieren. Das Reaktionsende wird durch Druckkonstanz bei 1 bar angezeigt.
2. Stufe
[0015] Der Autoklaveninhalt wird nun mit 3,2 g einer 40 %igen wäßrigen KOH-Lösung versetzt
und das Wasser bei 80 °C innerhalb von 2 h im Wasserstrahlvakuum entfernt. Zu dem
alkalisierten Fettaminoxethylat wird Ethylenoxid (EO) (166,3 g, 3,78 mol) in dem Maße
zudosiert, wie es abreagiert. Dabei steigt der Druck im Autoklaven auf 3-4 bar, die
Reaktionstemperatur liegt zwischen 130 und 140 °C (Reaktionsdauer 8 h). Nach beender
Zugabe wird die Mischung noch 2 h bei 130 °C zur Nachreaktion gebracht, worauf der
Druck bei 1 bar konstant bleibt und das Ende der Reaktion anzeigt.
3. Stufe
[0016] Ohne weitere Isolierung wird nun zu dem obigen Produkt bei 120 °C Propylenoxid (PO)
(364 g, 6.27 mol) in dem Maße zudosiert, wie es abreagiert. Dabei steigt der Druck
maximal auf 3 bar, die Temperatur maximal auf 130 °C an. Nach ca. 10 h ist die Zugabe
beendet; die Nachreaktion erfolgt 2 h bei 130 °C, worauf der Druck bei 1 bar konstant
bleibt und das Ende der Reaktion anzeigt.
Das so erhaltene Produkt ist eine hellgelbe, pastöse Masse mit einer Alkalizahl von
22,5 mg KOH/g Substanz und einem Trübungspunkt von 44.1°C (nach DIN 53917).
Alle Trübungspunkte wurden bestimmt mit 5 g Einwaage (Produkt) auf 25 g einer 25 %igen
wäßrigen Butyldiglykol-Lösung.
Beispiel 2:
[0017] Das Produkt wird analog Beispiel 1 hergestellt.
Einsatzmengen:
1. Stufe
[0018] 160,8 g (0,32 mol) Ditalgfettamin (Amin der Formel (III), wobei R die in Beispiel
1 angegebene Bedeutung hat: Jodzahl: 50; Alkalizahl: 111,7 mg KOH/g Substanz; Molmasse
502,5 g/mol).
14,1 g (0,32 mol) Ethylenoxid (EO)
2. Stufe
[0019] 2,2 g 40%ige wäßrige KOH-Lösung
70,4 g (1,6 mol) Ethylenoxid (EO)
3. Stufe
[0020] 167,3 g (2,88 mol) Propylenoxid (PO) Das Produkt ist eine fast farblose, pastöse
Masse mit einer Alkalizahl von 45,0 mg KOH/g Substanz. Der Trübungspunkt nach DIN
53971 ist nicht bestimmbar.
Beispiel 3
[0021] Das Produkt wird analog Beispiel 1 hergestellt.
Einsatzmengen:
1. Stufe:
[0022] 80,0 g (0,21 mol) Talgfettdipropylentriamin (Amin der Formel (V), wobei R die in
Beispiel 1 angegebene Bedeutung hat: Jodzahl: 32; Alkalizahl: 433,1 mg KOH/g Substanz,
Molmase: 388,6 g/mol).
36,3 g (0,82 mol) Ethylenoxid (EO)
2. Stufe:
[0023] 3,6 g 40%ige wäßrige KOH-Lösung
163,2 g (3,70 mol) Ethylenoxid (EO)
3. Stufe:
[0024] 394,6 g (6,80 mol) Propylenoxid (PO)
Das Produkt ist eine hellbraune, klare Flüssigkeit mit einer Alkalizahl von 56,2 mg
KOH/g Substanz und hat einen Trübungspunkt von 41,8 °C (nach DIN 53917).
Beispiel 4
[0025] Das Produkt wird analog Beispiel 1 hergestellt.
1. Stufe:
[0026] 51,1 g (0,15 mol) Talgfettpropylendiamin (Amin der Formel (IV), wobei R die in Beispiel
1 angegebene Bedeutung hat: Jodzahl 36; Alkalizahl: 329 mg KOH/g Substanz; Molmasse:
340,7 g/mol).
19,8 g (0,45 mol) Ethylenoxid (EO)
2. Stufe:
[0027] 2,6 g 40%ige wäßrige KOH-Lösung
125,5 g (2,85 mol) Ethylenoxid (EO)
3. Stufe:
[0028] 287,5 g (4.95 mol) Propylenoxid (PO)
[0029] Das Produkt ist eine hellgelbe, klare Flüssigkeit; es hat eine Alkalizahl von 32,5
mg KOH/g Substanz und einen Trübungspunkt von 37,9 °C (nach DIN 53917).
[0030] Herstellung der Vorstufe für Beispiel 5 und 6
1. Stufe:
[0032] 100,5 g (0,2 mol) Ditalgfettamin (Amin der Formel (III); Zusammensetzung s. Beispiel
2)
8,8 g (0,2 mol) Ethylenoxid (EO)
2. Stufe:
[0033] 3,4 g 40%ige wäßrige KOH-Lösung
96,9 g (2,2 mol) Ethylenoxid (EO)
3. Stufe:
[0034] 325,2 g (5,6 mol) Propylenoxid (PO)
Beispiel 5
[0035] Ohne weitere Isolierung werden 530 g des alkoxylierten Amins der Stufe 3 mit 132,5
g Ethylenoxid (EO) (=25 Gew.-%, bezogen auf das alkoxylierte Amin der Stufe 3;

z in Tabelle I) umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt analog Beispiel I, Stufe 2 (ohne
Alkalisierungsschritt).
[0036] Das Produkt ist eine hellbraune, leicht trübe Flüssigkeit mit einer Alkalizahl von
18,8 mg KOH/g Substanz und einen Trübungspunkt von 52,2 °C (nach DIN 53917).
Beispiel 6
[0037] Ohne weitere Isolierung werden 530 g des alkoxylierten Amins der Stufe 3 mit 79,5
g Ethylenoxid (EO) (= 15 Gew.-% bezogen auf die Vorstufe;

z in Tabelle I) umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt analog Beispiel 1, Stufe 2 (ohne
Alkalisierungsschritt).
[0038] Das Produkt ist eine hellbraune, leicht trübe Flüssigkeit; es hat eine Alkalizahl
von 20,4 mg KOH/g Substanz und einen Trübungspunkt von 42,7 °C (nach DIN 53917).
Anwendungsbeispiele:
a) Demulgierung
[0039] Hierzu werden die Rohölemulsionen in sogenannte Torpedogläser eingefüllt. Torpedogläser
zeichnen sich dadurch aus, daß sie sich nach unten stark verjüngen und eine Skalierung
besitzen, wodurch kleine Volumina abgeschiedenen Wassers gut abgelesen werden können.
In die mit den Rohölemulsionen gefüllten Torpedogläser werden mittels einer Mikro-Dosierspritze
jeweils eine definierte Menge an Demulgator zugegeben.
[0040] Anschließend wird gut geschüttelt, um die Demulgatoren möglichst homogen in den Rohölemulsionen
zu verteilen. Danach werden die mit Rohölemulsion und Demulgator gefüllten Torpedogläser
in ein temperiertes Wasserbad gestellt und in konstanten Zeitabständen die abgeschiedenen
Wassermengen abgelesen. Die abgeschiedenen Wassermengen werden in Milliliter (ml)
oder in Prozent (%), bezogen auf die in der Rohölemulsion vorhandene Gesamt-Wassermenge,
angegeben. Die Gesamtmenge des in der Rohölemulsion vorhandenen Wasser muß ebenso
wie die Dosiermenge an Demulgator und die optimale Spalttemperatur vor dem Demulgierversuch
bestimmt werden.
[0041] Die in den Versuchen verwendete Rohölemulsion norddeutschen Ursprungs hat einen Wassergehalt
von ca. 68 % und einen Salzgehalt von ca. 18 %.
In den Versuchen wird eine Emulsionsmenge von 100 cm
3 eingesetzt; die Entwässerungstemperatur beträgt 50 °C.
Die Anwendungsmenge (Konzentration) an Demulgator beträgt in den Beispielen 1 bis
6 jeweils 30 ppm.
Tabelle I zeigt die Kenndaten der eingesetzten Verbindungen der Formel I.
Beispiel |
Verbindungen der Formel I |
|
A |
R |
x [EO] |
y [PO] |
z |
1 |
II |
C14-C18-Alkyl ungesättigt |
22 |
33 |
- |
2 |
III |
C14-C18-Alkyl ungesättigt |
6 |
9 |
- |
3 |
V |
C14-C18-Alkyl ungesättigt |
22 |
33 |
- |
4 |
IV |
C14-C18-Alkyl ungesättigt |
22 |
33 |
- |
5 |
III |
C14-C18-Alkyl ungesättigt |
12 |
28 |
25 |
6 |
III |
C14-C18-Alkyl ungesättigt |
12 |
28 |
15 |
[0042] Es wird die Menge des abgeschiedenen Wassers nach 30, 60, 90, 180, 240 und 300 Minuten
in % des Gesamtwassers angegeben (Tabelle 2).
Beispiel |
Zeit/ Minuten |
|
30 |
60 |
90 |
180 |
240 |
300 |
1 |
2 |
14 |
32 |
66 |
88 |
92 |
2 |
1 |
4 |
12 |
28 |
42 |
72 |
3 |
8 |
26 |
74 |
96 |
98 |
100 |
4 |
12 |
36 |
80 |
96 |
98 |
100 |
5 |
20 |
48 |
84 |
98 |
100 |
100 |
6 |
16 |
35 |
72 |
86 |
96 |
98 |
[0043] Die Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Verbindungen eine ausgezeichnete
demulgierende Wirkung besitzen.
b) Korrosionsinhibierung
[0044] Die Ausprüfung erfolgt nach dem Shell-Wheel-Test. Dabei werden in einer CO
2-Atmosphäre Coupons mit 15 cm
2 Oberfläche des Stahl 1.1203 bei 70 °C 24 Stunden dynamisch in einem Gemisch Salzwasser
(5 Gew.-% NaCl), Petroleum (9:1) gealtert, wobei der pH-Wert der wässrigen Phase mit
Essigsäure auf 3,5 eingestellt ist. Anschließend werden die Coupons gesäubert und
der Gewichtsverlust bestimmt. Diese Prüfung ist ein Standardtest für Ölfeldkorrosionsinhibitoren.
[0045] In der Tabelle 3 sind die Schutzwerte in % der Verbindungen der Formel (I) aufgeführt.
Der Schutzwert ist die Minderung des Abtrags, d.h. der Korrosion gegenüber den Coupons
ohne Inhibitor im Flüssigkeitsgemisch.
Tabelle 3
Beispiel |
Einsatzmenge in ppm |
|
5 |
10 |
50 |
1 |
54 |
80 |
86 |
2 |
66 |
84 |
90 |
3 |
70 |
82 |
88 |
4 |
68 |
83 |
87 |
5 |
48 |
78 |
83 |
6 |
52 |
80 |
84 |
[0046] Die so im Labortest erzielten Schutzwerte lassen eine gute Korrosionsinhibierung
im Ölfeld erwarten.
c) Paraffindispergierung
[0047] Dazu pumpt man Rohöl oberhalb der Temperatur, bei der sich Paraffin ausscheidet,
in einen Kreislauf. In diesem Kreislauf befindet sich ein U-förmiges Rohr, welches
in ein Kühlbad getaucht werden kann. Bad- und Kühltemperatur werden empirisch ermittelt,
d.h. es muß geprüft werden, in welcher Zeit sich das U-Rohr mit auskristallisierende
Paraffin zusetzt. Dies wird durch die Leistungszunahme der Pumpe oder den Druckanstieg
gemessen. Inhibitoren verlängern die Zeit, in der das U-Rohr sich zusetzt und der
Druck bzw. die Leistung der Pumpe den gleichen kritischen Wert erreicht.
[0048] Im Labor wählt man zeitgerafft die Bedingungen so, daß der Versuch in ca. 6 bis 8
Stunden zu Ende ist; d. h. ohne Inhibitorzusatz müssen die kritischen Werte nach ein
bis maximal 2 Stunden geweicht werden. Das Verhältnis von der Zeit mit Inhibitor zu
ohne Inhibitor (= Zeitfaktor) ist ein Maß für die Inhibitorwirkung der einzelnen Produkte.
[0049] Es wurden folgende Zeitfaktoren bei einer Einsatzmenge von 200 ppm erreicht (Tabelle
4):
Beispiel |
Rohöl I |
Rohöl II |
1 |
3,5 |
3,8 |
2 |
1,5 |
1,8 |
3 |
3,8 |
4.2 |
4 |
4.6 |
4.4 |
5 |
4.4 |
4.6 |
6 |
3,8 |
4.6 |
[0050] Diese Testergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Verbindungen Paraffinablagerungen
merklich verzögern. In der Praxis bedeutet dies: in Sonden mit leichten Paraffinproblemen
kann durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Verbindungen eine Verstopfung vermieden
werden; oder bei starken Paraffinablagerungen können die Behandlungsintervalle der
mechanischen oder thermischen Sondenbehandlung stark gedehnt werden. Dies ist sehr
wichtig für schwer zugängliche, abgelegene Ölfelder.