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Maßgeschneiderte Polymer-Additive
zur Wachs-Kristallisationskontrolle in petrochemischen Produkten

Die Fähigkeit, den Transport von Waren und Personen stets effizient und zuverlässig aufrecht zu erhalten, hat einen hohen Einfluss auf die Lebensqualität. Forschung mit Neutronen trägt dazu bei dies zu gewährleisten, indem sie die Entwicklung von maßgeschneiderten Polymer-Additiven unterstützen, welche die unerwünschte Ausfällung oder Gelierung der Wachse in Dieselkraftstoffen und anderen petrochemischen Produkten bei niedrigen Temperaturen verhindern.

Rohöle und Mitteldestillat-Kraftstoffe

Rohöle und raffinierte Mitteldestillat-Produkte wie Dieselkraftstoffe, Kerosin oder Heizöl enthalten einen hohen Anteil an Paraffinen (Alkane) mit einer breiten Kettenlängenverteilung. Je nach Art der Rohöl-Ablagerungen und der angewandten Raffinerie-Technik, kann dieser Anteil zwischen 10% und 30% variieren.

Aggregatbildung bei niedrigen Temperaturen

Wachs-Gelbildung Wachs-Gelbildung Wachs-Gelierung in Rohölen bei niedrigen Temperaturen.

Abbildung 1: Wachs-Gelierung in Rohölen bei niedrigen Temperaturen.

Obwohl in Bezug auf Energieerzeugung, die langkettigen n-Praffine (C18-C40; Wachse) in diesen Ölen und Mitteldestillaten aufgrund ihrer erhöhten Verbrennungsenthalpie wünschenswert sind, haben sie den Nachteil, dass sie große kristalline Aggregate bei niedrigen Temperaturen bilden. Während der Extraktion dieser Rohöle aus Tiefseereservoirs oder während des Transports durch kalte Regionen verschlechtern sich die viskoelastischen Eigenschaften dieser Flüssigkeiten dramatisch. Eine Absenkung der Temperatur bewirkt eine Ausfällung oder Gelierung von Wachsen und damit die Reduktion ihrer Löslichkeit (Abb. 1). Aggregatbildung in Rohölen bzw. Kraftstoffen können Pipelines, Lagertanks oder die Filter von Dieselmotoren verstopfen.

Polymer-Additive kontrollieren die Wachs-Kristallisation

Um dieses Verhalten zu verhindern, wurden verschiedene Polymer-Additive entwickelt. Diese polymeren Systeme, bestehend aus kristallinen und amorphen Anteilen, können die Wachs-Kristallmorphologie beeinflussen, so dass die Rohöle und Mitteldestillate auch bei tiefen Temperaturen flüssig bleiben. Allerdings beruht hierbei die Synthese und Auswahl solcher Additive weitgehend auf Ausprobieren und nicht auf wissenschaftlichen Prinzipien. Das Verständnis für den Mechanismus der Wachs-Polymer-Wechselwirkung im Mikrometer-Bereich ermöglicht eine effiziente Steuerung der Wachs-Kristallisation mit Hilfe von Additiven und erlaubt so eine gezielte Anpassung der Polymere für bestimmte Zusammensetzungen von Öl-und Mitteldestillaten.

Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) am FRJ-2 und FRM II

Erdöl bleibt flüssig Erdöl bleibt flüssig Rohöle bleiben nach Zugabe von speziell-entworfenen Polymeren flüssig.

Abbildung 2: Rohöle bleiben nach Zugabe von speziell-entworfenen Polymeren flüssig.

Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) ist eine spezielle Technik, um komplexe Morphologien, wie z.B. solche in ternären Wachs-Polymer-Öl-Systemen, zu charakterisieren. Systematische Untersuchungen mittels SANS haben wichtige Informationen geliefert, welche teilweise auch bei der Formulierung vom Dieselkraftstoff-Additiv Paraflow ™ (Infinium, Ltd) genutzt wurden [1]. Ergebnisse der umfangreichen SANS Studien an den Neutronenquellen FRJ-2 (Jülich) und FRM II (Garching) haben gezeigt, dass polymere Systeme mit einer abgestuften Kristallinität entlang der Kette optimale, effiziente und vielseitige Additive für wachsartige Rohöle und petrochemische Produkte darstellen [2-5]. Speziell Polymere-Additive sind in der Lage, die Wachs-Kristallisation in mittelgroßen weichen Aggregaten (Abb. 2) zu regulieren und somit das Wachstum von großen kompakten wachsartigen Kristallen zu stoppen und Wachs-Gelierung zu verhindern.

Originalpublikation

[1] D.Richter et. al, Macromolecules, 30 (4), 1053-1068, 1997;

[2] A.Radulescu, et.al, Macromolecules, 39 (18), 6142-6151, 2006;

[3] A.Radulescu, et.al, Advances in Polymer Science 210, 1-100, 2008;

[4] A.Radulescu, et.al, Journal of Polymer Science B: Polymer Physics, 49 (2), 144-158, 2011;

[5] A.Radulescu et.al, in Crude Oil Emulsions – Composition and Characterization, Ed.M.S.Abdel-Raouf, pp.205-230, Intech, 2012.

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