Оценка количественного состава ингибиторов гидратообразования по их инфракрасным спектрам

Введение. Предложен метод для определения концентраций активных компонентов в ингибиторе термодинамического типа действия по его инфракрасному спектру. Актуальность метода обусловлена его экспрессностью и высокой степенью селективности в сравнении с традиционными подходами определения количественного состава растворов органических соединений. Метод. В работе предложено использовать метод инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье. Метод позволяет определять концентрации веществ в растворах. Однако определение концентраций веществ в смесях, содержащих более трех компонентов, усложняется особенно в растворах органических соединений в силу наличия перекрывающихся областей колебаний характеристических групп. Для решения задачи определения концентрации веществ в многокомпонентных растворах использован регрессионный метод проекции на латентные структуры, который относится к хемометрическим методам анализа и получил распространение как метод количественного прогнозирования. Выборка для построения калибровочных зависимостей в рамках используемого метода включала в себя спектры растворов, полученные в режиме нарушенного полного внутреннего отражения. Основные результаты. Построены модели для определения концентраций веществ в четырехкомпонентном водно-спиртовом растворе. Определяемые вещества: вода, метанол, этанол, этиленгликоль. Подтверждена эффективность работы построенных моделей с обучающей выборкой, включающей спектры образцов с минимальной предварительной обработкой — корректировкой базовой линии. Определен оптимальный набор обучающей выборки для получения результата с минимально возможной погрешностью при условии компонентности образцов в обучающей выборке, не превышающей n – 1, где n — определяемое количество веществ. Обучение модели на выборке, состоящей из инфракрасных спектров двух- и трехкомпонентных растворов, обеспечивает предсказание концентрации веществ с погрешностью до 10 %. Обсуждение. Предложенный метод позволит проводить экспресс-анализ состава термодинамических ингибиторов гидратообразования. Результаты работы могут найти применение в нефтепромысловой химии для оценки ингибирующей способности ингибиторов гидратообразования, используемых для предотвращения образования газогидратов при добыче, подготовке или транспортировке углеводородного сырья.

1. Makogon Y.F. Natural gas hydrates – A promising source of energy // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2010. V. 2. N 1. P. 49–59. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2009.12.004

2. Якуцени В.П. Газогидраты – нетрадиционное газовое сырье, их образование, свойства, распространение и геологические ресурсы // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2013. Т. 8. № 4. С. 2.

3. Запорожец Е.П., Шостак Н.А. Особенности гидратообразования однои многокомпонентных газов // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2016. Т. 15. № 20. С. 232–239. https:// doi.org/10.15593/2224-9923/2016.20.3

4. Запорожец Е.П., Шостак Н.А. Гидраты: монография. Краснодар: Издательский дом Юг, 2014. 460 с.

5. Грицишин Д.Н., Квон В.Г., Истомин В.А., Минигулов Р.М. Технологии предупреждения гидратообразования в промысловых системах: проблемы и перспективы // Газохимия. 2009. № 10. С. 32–40.

6. Ворожцова Ю.С., Носенко Т.Н., Успенская М.В. Определение типа действия ингибиторов гидратообразования по их инфракрасным спектрам // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 4. С. 669– 675. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2023-23-4-669-675

7. Semenov A.P., Medvedev V.I., Gushchin P.A., Vinokurov V.A. Kinetic inhibition of hydrate formation by polymeric reagents: Effect of pressure and structure of gas hydrates // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2016. V. 51. N 6. P. 679–687. https://doi.org/10.1007/s10553-016-0658-5

8. Запорожец Е.П., Шостак Н.А. Расчет эффективности однои многокомпонентных антигидратных реагентов // Записки Горного института. 2019. Т. 238. С. 423–429. https://doi.org/10.31897/PMI.2019.4.423

9. Полуэктов П.О., Исаков А.Н., Горшунова С.В., Трекина Н.П. Спектрофотометрический метод определения метилурацила // Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации: cборник статей XXIX Международной научно-практической конференции. 2019. С. 14–16.

10. Cornejo-Báez A.A., Peña-Rodríguez L.M., Álvarez-Zapata R., Vázquez-Hernández M., Sánchez-Medina A. Chemometrics: a complementary tool to guide the isolation of pharmacologically active natural products // Drug Discovery Today. 2020. V. 25. N 1. P. 27–37. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2019.09.016

11. Challa S., Potumarthi R. Chemometrics-based process analytical technology (PAT) tools: applications and adaptation in pharmaceutical and biopharmaceutical industries // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2013. V. 169. N 1. P. 66–76. https://doi.org/10.1007/s12010-012-9950-y

12. Kugeiko M.M., Baravik A.A. Determination of the concentration of CO2 and H2O vapor under conditions of overlapping spectral lines // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 2127. P. 012042. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2127/1/012042

13. Шелпакова А.С. Применение методов множественной линейной регрессии и проекции на латентные структуры в спектрофотометрическом анализе многокомпонентных смесей: лекарственных и витаминных препаратов: диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Омск, 2010. 162 с.

14. Силаев Д.В. Спектрофотометрический анализ многокомпонентных систем с использованием хемометрических алгоритмов: диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Саратов, 2023. 138 с.

15. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М.: Недра, 1974. 208 с.

16. Nasrifar K., Moshfeghian M. Computation of equilibrium hydrate formation temperature for CO2 and hydrocarbon gases containing CO2 in the presence of an alcohol, electrolytes and their mixtures // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2000. V. 26. N 1-4. P. 143–150. https://doi.org/10.1016/s0920-4105(00)00028-0

17. Bishnoi P.R., Dholabhai P.D. Equilibrium conditions for hydrate formation for a ternary mixture of methane, propane and carbon dioxide, and a natural gas mixture in the presence of electrolytes and methanol // Fluid Phase Equilibria. 1999. V. 158–160. P. 821–827. https://doi.org/10.1016/s0378-3812(99)00103-x

18. Paez J.E., Blok R., Vaziri H., Islam M.R. Problems in gas hydrates: practical guidelines for field remediation // Proc. of the SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference. 2001. https://doi.org/10.2118/69424-ms

19. Бык С.Ш., Макогон Ю.Ф., Фомина В.И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980. 296 с.

20. Краснов А.А., Клименок Б.В. Исследование кинетики процессов клатрации методом изохрон // Нефтехимия. 1973. Т. 13. № 4. С. 592–595.

21. Маленко Э.В. Исследование условий образования и разрушения гидратов природного газа и изучение ингибирующего влияния неэлектролитов: диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. М., 1979. 168 с.

22. Barrer R.M., Ruzicka D.J. Non-stoichiometric clathrate compounds of water. Part 4. Kinetics of clathrate phases // Transactions of the Faraday Society. 1962. V. 58. P. 2262–2271. https://doi.org/10.1039/tf9625802262

23. Yousif M.H., Dorshow R.B., Young D.B. Testing of hydrate kinetic inhibitors using laser light scattering technique // Annals of the New York Academy of Sciences. 1994. V. 715. N 1. P. 330–340. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1994.tb38845.x

24. Soper A.K., Finney J.E. Hydration of methanol in aqueous solution // Physical Review Letters. 1993. V. 71. N 26. P. 4346–4349. https:// doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.4346

25. Клименко Л.С., Нехорошев С.В., Нехорошева А.В., Нехорошева Д.С., Тагизаде Х.Б. Аналитический контроль метилового спирта в водных средах методом ИК-спектроскопии // Научный медицинский вестник Югры. 2018. № 3(17). С. 35–40. https://doi.org/10.25017/2306-1367-2018-17-3-35-40