Файл: Нанотехнологии в области крс.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВО «УДМУРТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА ИМ М. С. ГУЦЕРИЕВА

Реферат

по дисциплине: «Нанотехнологии в НГД»

на тему: «Нанотехнологии в области КРС»

Выполнил Корепанов А.П
Проверил Кучерова Е.А.

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………...3

1. 
   Нанотехнологии в нефтедобыче.…………………………………….............4
   
2. 
   Нанокатализ и нефтехимия ………………………………………………….7
   
3. 
   Наносмазка…………………………………………………………………...17
   

Заключение……………………………………………………………………….21

Список литературы………………………………………………………………22

Введение

Сейчас самым главной задачей государственной политики РФ является перевод экономики на абсолютно другой путь развития – инновационный. Этот путь развития требует подходов, которые смогут обеспечить благоприятный климат для формирования эффективной среды науки, производства, развития и внедрения высоких технологий.

Этот путь требует обеспечения благоприятного климата для формирования эффективной среды производства и применения знаний, развития и внедрения новых технологий. Задача развития современных нанотехнологий – найти новые идеи для выхода из перечня критических технологий в Российской Федерации путем нахождения новых идей для возможности реализации новых проектов для развития нанотехнологий. Использование наносвойств в нефтегазовой отрасли может быть путем активного применения нанотехнологий, являющихся товарным продуктом 6-й технологического уклада. Использование нанотехнологий для увеличения нефтеотдачи является актуальной задачей.

В наноразмерном состоянии любые вещества приобретают новые химические, биологические и физические свойства, существенно отличающиеся от их свойств в макро объемном состоянии. В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается.

На сегодняшний день, можно назвать основные направления использования нанотехнологий в нефтедобывающей отрасли: размерные эффекты в свойствах катализаторах, размерные эффекты в каталитически активных пористых материалах; нанотехнологии в разделении смесей; нанотехнологические покрытия. Нанотехнологии могут быть использованы для улучшения процесса бурения и добычи нефти и газа. Нанотехнологии могут помочь улучшить добычу нефти и газа, будет легче отделять масло и газ в резервуаре, например, через более глубокое понимание процессов на молекулярном уровне.

---

1. 
   Нанотехнологии в нефтедобыче.
   

Нанотехнология вошла в нефтегазовую промышленность не так давно, но многие ее приложения уже стали неотъемлемой частью многих, казалось бы, традиционных технологических процессов. Например, использование наноструктурированных цеолитов позволило на 40% повысить выход бензиновых фракций по сравнению с применением обычных катализаторов. В области разработки месторождений и бурения известны лишь исключительные примеры использования нанотехнологий, например, использование оборудования, изготовленного из нового поколения наноматериалов.Буровые долота, трубы нефтяного сортамента, элементы оборудования промыслов должны противостоять колоссальным нагрузкам, поэтому потребность нефтегазовой промышленности в прочных и долговечных материалах крайне высока. Применение материалов с заданной наноструктурой позволяет делать более легкое, долговечное и прочное оборудование. Нанотехнология может также помочь в разработке новых методов измерений. Крошечные по размерам датчики можно разместить на любом оборудовании, в том числе и подземном. Тем самым, можно резко повысить количество и качество информации о продуктивном пласте. Наиболее известная область применения нанотехнологии в нефтегазовой промышленности – это создание так называемых «умных» технологических жидкостей, или жидкостей с запрограммированными свойствами. Они находят применение в процессах интенсификации добычи, повышения нефтеотдачи пласта и при бурении скважин. К таким жидкостям относятся растворы ПАВ и полимеров, микроэмульсии, гели, а также бижидкостные пены (афроны). Еще одна развивающаяся область промышленности занимается исследованием и применением «наножидкостей».

Наножидкости – это технологические растворы с добавлением небольшого количества нанофракции твердых частиц для улучшения тех или иных свойств. Наножидкости можно создавать таким образом, чтобы они были совместимы с флюидами и горными породами продуктивного пласта и в то же время не представляли опасности для окружающей среды. Некоторые из них уже находят применение и в скором времени они позволят решить ряд острых проблем, возникающих при бурении, заканчивании и эксплуатации скважин. Среди них снижение трения труб о стенки скважины, укрепление слабых песчаных пластов, борьба с гелеобразованием, изменение смачиваемости горных пород и борьба с коррозией. В настоящее время термин «наножидкость», главным образом, используют для описания суспензий (коллоидных систем с твердой дисперсной фазой), однако намечается тенденция к расширению понятия, то есть дисперсной фазой в наножидкостях могут быть наночастицы любой природы.

---

Многие традиционные технологии разработки месторождений подлежат пересмотру и должны проектироваться с учетом комплексных фазовых диаграмм находящихся в нефти наноколлоидов, формируемых, в основном, асфальтенами. Проектирование разработки месторождений с учетом фазовых превращений наноколлоидов позволит получить продукцию с лучшими свойствами, или, по крайней мере, не нарушить тонкую внутреннюю организацию природных нефтей (такой подход можно было бы назвать «наноэкологией нефти»).

Одна из областей нанотехнологии – это супрамолекулярная химия, основанная на фундаментальном принципе самоорганизации,то есть самопостроении систем без грубых силовых воздействий. При осуществлении самоорганизации конечная наноструктура вещества как бы запрограммирована формой и свойствами образующих структуру молекул. Таким образом, системы с необходимой наноструктурой можно сформировать за счет тонких воздействий на макроскопические параметры системы, например, изменив состав системы, как показано на рис. 1.



Рис. 1 Супрамолекулярные наноструктуры.
Фазовые изменения наноколлоидов могут обусловить значительные изменения макроскопических свойств системы. Молекулы, способные к самоорганизации, существуют в различных системах. В нефтях же большинство самоорганизующихся молекул входят в состав асфальтеновых фракций, которую выделяют по признаку растворимости.

2. 
   Нанокатализ и нефтехимия.
   

Катализаторы- вещества, изменяющие скорость химических реакций посредством многократного промежуточного химического взаимодействия с участниками реакций и не входящие в состав конечных продуктов. Катализаторы повсеместно распространены в живой природе и широко используются в промышленности. Катализатор не находиться в стехиометрическом отношении с продуктами и, как правило, регенерируются после каждого цикла превращений реагентов в продукты. В большинстве случаев количество катализатора много меньше количества реагентов. Более 70% всех химических превращений веществ, а среди новых производств более 90%, осуществляется с помощью катализаторов. Различные катализаторы выпускаемые промышленностью, классифицируются по типу катализируемых реакций (кислотно-основные, окислительно-восстановительные); по группам каталитических процессов или особенностям их аппаратурно-технологического оформления (например, катализаторы синтеза аммиака, крекинга нефтепродуктов, катализаторы для использования в псевдоожиженном слое); по природе активного вещества (металлические, окисные, сульфидные, металлоорганические, комплексные и т.д.); по методам приготовления. Некоторые виды катализаторов используемых в промышленности, приведены в таблице 1. При помощи белковых катализаторов —ферментов

---

— осуществляется обмен веществ у всех живых организмов.

Ярким примером использования катализаторов является метод получения синтетического каучука разработанный впервые в мире С.В. Лебедевым в 1930 г. Первая стадия этого метода – получение бутадиена из спирта на смешанном оксидном катализаторе:

cat 2C2H5OH → C4H6+2H2O+H2

Вторая стадия полимеризации C₄H₆ происходит на натрии. По методу Лебедва в СССР длительное время работали заводы СК.

Еще один пример применения катализатора в нефтехимии - высокооктановым компонентом товарных бензинов является метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Собственное октановое число этого эфира – 118. Этот эфир получают из изобутилена и метанола на кислотных катализаторах:

cat

2C₂H₅OH →. C₄H₆+2H₂O+H₂
МТБЭ в мире производят более 20 млн. т/год.
Таблица1 Некоторые промышленные катализаторы, применяемые в многотонажных химичских производствах.

Процессы и их особенности	Катализаторы и их некоторые характеристики
Крекинг нефтепродуктов	Синтетические аморфные и кристаллические (цеолиты) алюмосиликаты, в том числе с добавками окислов редкоземельных элементов.
системы с плотным движущимся слоем	Катализатор в форме шариков диаметром 3—6 мм
системы с псевдоожиженным слоем	Микросферический катализатор, размер частиц 0,08—0,2 мм
Риформинг — получение высокооктановых бензинов и ароматических углеводородов	Платина (0,2—0,6%) на окиси алюминия с добавками хлора, фтора, редких металлов; цилиндрические гранулы или шарики размером 2—3 мм
Конверсия природного газа и др. углеводо- родов с водяным паром для получения водорода	Никель (5—25%) на термостойком носителе (обычно на основе окиси алюминия); цилиндри- ческие гранулы, кольца и шары размером 10—20 мм
Получение водорода из окиси углерода и водяного пара	Окисные железохромовые катализаторы (6—9% Cr2O3); рабочая температура 350—500 °C, относительно устойчивы к действию сернистых соединений. Смеси окислов меди, цинка, алю- миния, железа и др.; рабочая температура 200—250 °С, остаточное содержание окиси угле- рода по сравнению с железохромовыми К. снижается с 1,5—2,5 до 0,2—0,3%; легко отрав- ляются серой и требуют тщательной очистки газа
Синтез аммиака	Металлическое железо, промотированное окислами алюминия, кальция, калия и др.
Окисление двуокиси серы в производстве серной кислоты	Ванадиевые катализаторы на носителях (обычно силикатных), активное вещество имеет состав V2O5mMe3O.nSO3 (Ме—щелочной металл); цилиндрические и сферические гранулы, таблетки, кольца размером 5—12 мм
Окисление аммиака в производстве азотной кислоты	Металлическая платина (сетка), сплавы платины с некоторыми металлами, реже катализато- ры на основе окислов (кобальта, висмута, железа)
Окисление этилена в окись этилена	Серебро, пористое металлическое или на инертных носителях
Окисление нафталина во фталевый ангид- рид	Пятиокись ванадия, плавленая или на носителях (промотированная сульфатами щелочных металлов)
Синтез метилового спирта из окиси угле- рода и водорода	Окисные цинк-хромовые катализаторы: рабочая температура 375—400 °С, давление 20—30 Мн/м2 (200—300 кгс/см2). Катализаторы, содержащие медь; рабочая температура 250°C, давление 5 Мн/м м2 (50 кгс/см2)
Синтез этилового спирта методом прямой гидратации этилена	Фосфорная кислота на кремнеземистом носителе
Синтез ацетальдегида из ацетилена
гомогенный процесс Кучерова	Водный раствор сульфата ртути
гетерогенный процесс	Фосфаты кальция и кадмия
Синтез ацетальдегида из этилена, гомо- генный процесс	Водный раствор хлоридов палладия и меди
Дегидрирование бутана, изобутана, изо- пентана до олефинов и диолефинов (про- изводство мономеров для синтетического каучука)	Окисные алюмохромовые и железохромовые, кальций-никель-фосфатные и др. катализа- торы; часто используют в псевдоожиженном слое
Гидрирование бензола в циклогексан (фе- нола в циклогексанол) в производстве капролактама	Никель (35—50%) на носителях. Для коксохимического бензола — сульфиды никеля, ко- бальта, молибдена, вольфрама; сульфидные катализаторы не отравляются серусодержащими соединениями
Гидрирование жиров
суспендированный катализатор	Никелевые и никель-медные катализаторы в виде высокодисперсного порошка (черни) или на носителе
стационарный слой катализатора	Никель на носителях, сплавные или спечённые никелевые катализаторы
Синтез винилхлорида из ацетилена	Хлорная ртуть (сулема) на активированном угле

---

 

Нанокатализ является одним из новых направлений в гетерогенном катализе, основанном на создании частиц катализаторов разной природы размером от 0.1 до 10 нанометров.

Большие перспективы катализа наночастицами связаны с двумя обстоятельствами. Во-первых, при уменьшении размера частиц все большая доля атомов оказывается на поверхности, и все меньшая – в объеме, поэтому катализатор, состоящий из наночастиц, обладает большой удельной поверхностью (до 1000 м²/г) и может быть очень активным в гетерогенных реакциях.Во-вторых, существует размерный эффект: многие свойства наночастиц зависят от их размера, поэтому изменяя размер, можно управлять активностью нанокатализатора. Так, например, в работе проф. Романовского с сотрудниками был доказан размерный эффект для окисления метанола на смешанном оксиде лантана и кобальта LaCoO3 (рис. 2). При уменьшении частиц катализатора до нанометровых размеров наблюдалось резкое увеличение скорости реакции.



Рис. 2. Зависимость скорости окисления метанола на LaCoO3 от размера частиц катализатора.

Размерный эффект в нанокатализе может быть положительным, отрицательным или нулевым. Все три разновидности можно наблюдать на примере окисления CO на наночастицах платиновых металлов (рис. 3).



Рис. 3. Каталитическая активность наночастиц платиновых металлов в реакции окисления CO: положительный (Pd), отрицательный (Pt) и нулевой (Rh) размерный эффект.
Впервые каталитические свойства наночастиц были обнаружены в середине1990-х годов. Оказалось, что нанокластеры золота, содержащие от 8 до 20 атомов, катализируют окисление угарного газа кислородом:

2CO + O2 = 2CO2

При низких температурах, вплоть до –70 ^оС. В этих условиях обычное золото (объемная, или макрофаза) не проявляет никакой активности. При уменьшении размера частиц до 5 нм и ниже меняется кристаллическая структура металла и появляется каталитический эффект. Аналогичная картина наблюдается и для других благородных металлов – платины, родия, палладия. Выход реакции зависит от числа атомов в кластере металла и температуры. Для каждого кластера существует оптимальная температура, при которой катализатор наиболее эффективен.

Применение наноструктурированных катализаторов позволяет снизить долю катализатора в себестоимость продукции. При этом появляется возможность проектировать оборудование малых габаритов при той же производительности. Также снижаются энергетические затраты на единицу продукции.

---