專利名稱：兩性離子表面活性劑與陰離子型含醚表面活性劑一起作為減阻劑的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兩性離子表面活性劑與醚硫酸鹽或醚羧酸鹽表面活性劑一起在水基體系中作為減阻劑的應(yīng)用。
近年來，能形成特別長的圓柱形膠束的表面活性劑作為循環(huán)水體系，特別是旨在加熱或冷卻的配水體系的減阻添加劑引起了人們很大興趣。
產(chǎn)生這種興趣的一個重要原因在于，雖然人們希望管道中保持層流，但同時人們還希望在熱交換器中存在湍流從而在其中實現(xiàn)每單位面積的高熱轉(zhuǎn)移。
如容易理解的那樣，纖維或鏈形聚合物不能提供這樣的雙重功能，然而，用線形膠束則可以實現(xiàn)這樣的雙重功能，因為可導(dǎo)致減阻的膠束在熱交換器內(nèi)或者就在進(jìn)入熱交換器以前可通過機(jī)械裝置破壞。這樣，將在所述熱交換器內(nèi)產(chǎn)生湍流。在交換器后面的管道中，膠束將相當(dāng)迅速地再次形成，于是恢復(fù)了減阻作用。
線狀膠束的特點在于，在低雷諾數(shù)(低于104)下以完全無序的方式操作，對于流阻沒有或只有很輕微的影響。在較高雷諾數(shù)(高于104)時，膠束平行排列，從而導(dǎo)致很接近于理論上可能的減阻作用。在甚至更高的雷諾數(shù)(例如，高于105)時，液體中的剪切力變得如此高，以致隨著雷諾數(shù)增大到高于該值，膠束開始被破壞而減阻效果迅速降低。
表面活性劑具有顯著減阻效果的雷諾數(shù)范圍取決于濃度，該范圍隨濃度的增大而增大。
通過選定表面活性劑的正確濃度以及熱交換器前方或熱交換器內(nèi)管道中合適的流速和適當(dāng)?shù)难b置，就有可能建立管道內(nèi)的層流和熱交換器內(nèi)的湍流。因此，管道的尺寸可保持在較低水平，或者，在保持相同的管道尺寸下，可以減小泵大小或泵站數(shù)，因而減小泵所作的功。
在WO 96/28527中公開了一種減阻劑，它包含與磺酸鹽或硫酸鹽表面活性劑組合的甜菜堿表面活性劑。該減阻劑在較大溫度范圍內(nèi)是有效的。然而，硫酸鹽表面活性劑對硬水相當(dāng)敏感，而人們認(rèn)為磺酸鹽表面活性劑在厭氧條件下不容易被生物降解。
現(xiàn)在意外地發(fā)現(xiàn)，通過具有下式的兩性離子表面活性劑， 其中R是含10～24個碳原子的飽和或不飽和脂族基或?；幕鶊F(tuán)，R6和R7彼此獨立是1～4個碳原子的烷基或2～4個碳原子的羥烷基，而R4是1～4個碳原子的亞烷基，優(yōu)選是CH2或如下的基團(tuán) 其中，R5是1～3個碳原子的烷基，與具有下列通式結(jié)構(gòu)的陰離子醚表面活性劑或其混合物，R1(OA)nB，R1O(AO)nCmH2mD或R3NH(AO)nCmH2mD其中，R1是10～24個碳原子的烴基，R3是10～24個碳原子的?；?，A是2～4個碳原子的亞烷基，n是1～10的數(shù)，m是1～4，B是硫酸鹽基OSO3M，D是羧酸鹽基COOM，而且M是陽離子的、優(yōu)選是一價的基團(tuán)，按兩性離子表面活性劑與陰離子醚表面活性劑或醚表面活性劑的重量比為100∶1～1∶1、優(yōu)選50∶1～2∶1的比例組合，作為減阻劑應(yīng)用于流動的水基液體體系中，實現(xiàn)了實質(zhì)性的改善?！八北硎舅后w體系的至少50wt％、優(yōu)選至少90wt％由水構(gòu)成。所述兩性離子表面活性劑和陰離子醚表面活性劑的總量可根據(jù)條件在寬范圍內(nèi)變動，但通常是0.1～10kg/m3水基體系。所述兩性離子表面活性劑和陰離子醚表面活性劑的組合特別適用于在長管道中流動的用于散熱或冷卻的水基體系。
合適地，所述兩性離子表面活性劑中的基團(tuán)R是脂族基團(tuán)或基團(tuán)R′NHC3H6，其中R′表示10～24個碳原子的?；?。優(yōu)選地，所述兩性離子表面活性劑具有如下通式 其中，R是脂族基團(tuán)或基團(tuán)R′NHC3H6-，其中R′具有上述含義。在陰離子醚表面活性劑中，疏水基R1可以是脂族的或芳族的、直鏈的或支化的、飽和的或不飽和的。此外，基團(tuán)A優(yōu)選是1，2-亞乙基，n優(yōu)選是1～5的數(shù)，而CmH2m優(yōu)選是亞甲基或是基團(tuán) 其中，R8是1～3個碳原子的烷基?；鶊F(tuán)M優(yōu)選是鈉和鉀。
所述兩性離子表面活性劑和陰離子醚表面活性劑都容易生物降解，并能耐硬水和電解質(zhì)，而且所述組合物在寬溫度范圍內(nèi)給出優(yōu)良的減阻效果。因此，當(dāng)使用其中基團(tuán)R和R′具有12～16個碳原子的表面活性劑時，所述減阻添加劑可用于溫度低于20℃的冷卻介質(zhì)中；當(dāng)使用其中基團(tuán)R和R′含有18、20或22或更多個碳原子的表面活性劑時，所述減阻添加劑可用于溫度在50～120℃范圍內(nèi)的傳熱介質(zhì)中。疏水基R、R′、R1和R3中的碳原子數(shù)將影響所述混合物的適用溫度范圍，結(jié)果，高碳數(shù)將給出適合高溫度的產(chǎn)物，反之亦然。基團(tuán)R和R1可以適當(dāng)?shù)厥鞘榛?、十四烷基、十六烷基、十八烷基、油基、二十烷基、二十二烷基、菜子油烷基和牛油烷基，而基團(tuán)R′和R3是相應(yīng)的?；?。還可應(yīng)用芳族基，例如，壬基苯基。
此外，以這樣一種方式合適地選擇所述兩性離子表面活性劑和陰離子型表面活性劑，使得所述組合物的結(jié)晶溫度適當(dāng)?shù)氐陀陬A(yù)期的水基體系的最低溫度。適當(dāng)?shù)?，將所述兩性離子表面活性劑與其中n是1～5，而OA是氧化乙烯的陰離子醚硫酸鹽表面活性劑組合，因為醚硫酸鹽容易生產(chǎn)，而且與兩性離子表面活性劑組合可給出優(yōu)良的減阻效果。
所述兩性離子表面活性劑可這樣生產(chǎn)，即，通過將式RNR6R7(其中，R具有上述含義)的化合物與氯乙酸鈉在低級醇和水的介質(zhì)中，在70～80℃和9.5的恒定pH值下反應(yīng)。為了達(dá)到良好的減阻效果，重要的是，在使用的兩性離子表面活性劑產(chǎn)品中胺反應(yīng)物的量較低。如果要求產(chǎn)物中的氯化物含量較低，優(yōu)選反應(yīng)在具有盡可能低水含量的異丙醇中進(jìn)行，這樣反應(yīng)時生成的氯化鈉將從產(chǎn)物中結(jié)晶析出，并且可通過過濾或離心除去。獲得無氯化物的產(chǎn)物的另一條途徑是，在酸催化劑存在下使所述胺反應(yīng)物與環(huán)氧乙烷季銨化，然后使生成的產(chǎn)物脫氫而得所需的兩性離子表面活性劑。
適用于本發(fā)明的陰離子醚表面活性劑是人們熟知的產(chǎn)品，生產(chǎn)方法也是人們熟知的。典型實例有，通過用SO3硫酸化而得自乙氧基化醇的脂族單(氧化乙烯)硫酸鹽、烷基二(氧化乙烯)硫酸鹽和烷基三(氧化乙烯)硫酸鹽，和通過所述乙氧基化醇與具有式HalCmH2mCOOM的鹵代羧酸鹽反應(yīng)獲得的相應(yīng)的羧酸鹽，其中Hal是氯或溴，而且M和m具有上述含義。酰氨基醚羧酸鹽可按人們熟知的方法生產(chǎn)，包括所述鹵代羧酸鹽與酰氨基烷氧化物R3NH(AO)nH(其中，R3、A和n具有上述含義)的反應(yīng)。
兩性離子表面活性劑和陰離子醚表面活性劑的選擇將取決于水基體系的溫度。低溫下的碳原子數(shù)通常將低于高溫下的碳原子數(shù)，而在較低溫度下的氧亞烷基數(shù)通常將比較高溫度下的更高。
對于某種水來說，一種確定所述兩性離子表面活性劑和陰離子表面活性劑的合適比率的簡便方法是在磁力攪拌下，在50ml玻璃燒杯中配制所述兩性離子表面活性劑在適當(dāng)水中的例如0.500kg/m3的溶液，并且將溫度保持在該體系預(yù)期的溫度范圍的中間點。用濃度為10kg/m3的所述陰離子醚表面活性劑在適當(dāng)水中的溶液滴定，直至原來形成的漩渦消失。
除了所述兩性離子表面活性劑和陰離子表面活性劑以外，該水基體系還可包含一些常規(guī)組分，例如緩蝕劑、防凍劑和殺菌劑。
現(xiàn)在將借助于如下實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
實施例1減阻溫度范圍是在上述燒杯試驗中確定的。在燒杯試驗中，利用磁力攪拌器和加熱板組合，以700r/min的恒定旋轉(zhuǎn)速率攪拌所述表面活性劑混合物。不存在漩渦或最大2mm的漩渦等于減阻條件。在高于100℃的溫度下，應(yīng)用了玻璃耐壓反應(yīng)器。
制備了甜菜堿和陰離子表面活性劑的儲備液混合物。在50ml燒杯中，用具有下表所示硬度的水稀釋該混合物至1000ppm甜菜堿和40ml總體積。括號中以ppm為單位給出了陰離子表面活性劑的量。用氨水調(diào)節(jié)pH至9～10。
表1.用于加熱體系的N-二十二烷基甜菜堿(1000ppm)
含陰離子醚表面活性劑的減阻劑在3°dH和8°dH水中比含烷基硫酸鹽的減阻劑表現(xiàn)出本質(zhì)上更好的減阻效果。
實施例2該實施例是按前述篩選試驗進(jìn)行的。
為了確定陰離子表面活性劑的合適量，在試驗燒杯中，在700r.p.m磁力攪拌下將所述甜菜堿溶液保持在13℃，并用所述陰離子表面活性劑水溶液滴定直至漩渦消失。在發(fā)現(xiàn)組合物給出減阻效果的溫度范圍后方的括號內(nèi)以ppm為單位給出了陰離子表面活性劑的最后濃度。以℃為單位給出了溶液的澄清點(CP)。
該實施例的所有試驗中應(yīng)用的兩性離子表面活性劑N-肉豆蔻基-甜菜堿的濃度是1000ppm。
表2.用于冷卻體系的N-肉豆蔻基-甜菜堿(1000ppm)與陰離子表面活性劑混合物
這些配方旨在適配溫度范圍通常是4～15℃的冷卻環(huán)路。
可以看到，十二烷基乙二醇醚硫酸鹽在該溫度范圍內(nèi)效果良好，而十二烷基苯磺酸鹽配方在去離子水中沒有給出減阻作用，而且十二烷基硫酸鈉在低溫下在8°dH的水中效果并不令人滿意。
此外，在實際應(yīng)用中，十二烷基硫酸鈉的應(yīng)用由于鈉鹽和鈣鹽的沉淀而受到阻礙。
權(quán)利要求
1.如下物質(zhì)的組合作為減阻劑在流動的水基液體體系中的應(yīng)用具有下式的兩性離子表面活性劑 其中R是含10～24個碳原子的飽和或不飽和脂族基或酰基的基團(tuán)，R6和R7彼此獨立地是1～4個碳原子的烷基或2～4個碳原子的羥烷基，而R4是1～4個碳原子的亞烷基，和具有下列通式結(jié)構(gòu)的陰離子醚表面活性劑或其混合物R1(OA)nB，R1O(AO)nCmH2mD或R3NH(AO)nCmH2mD其中，R1是10～24個碳原子的烴基，R3是10～24個碳原子的?；?，A是2～4個碳原子的亞烷基，n是1～10的數(shù)，m是1～4，B是硫酸鹽基OSO3M，而且D是羧酸鹽基COOM，其中M是陽離子基，所述兩性離子表面活性劑與陰離子醚表面活性劑或醚表面活性劑的重量比為100∶1～1∶1。
2.權(quán)利要求1的應(yīng)用，其中所述兩性離子表面活性劑具有如下通式 其中，R是脂族基團(tuán)或基團(tuán)R′NHC3H6-，其中R′是?；?br> 3.權(quán)利要求1或2的應(yīng)用，其特征在于，所述組合物的結(jié)晶溫度低于所述水基體系的預(yù)期最低溫度。
4.權(quán)利要求1～3中任一項的應(yīng)用，其特征在于，所述兩性離子表面活性劑和陰離子醚表面活性劑的添加總量為0.1～10kg/m3水基體系。
5.權(quán)利要求1、2、3或4的應(yīng)用，其特征在于，所述水基體系是溫度在50～120℃范圍內(nèi)的傳熱介質(zhì)。
6.權(quán)利要求1、2、3或4的應(yīng)用，其特征在于，所述水基體系是溫度低于20℃的冷卻介質(zhì)。
7.權(quán)利要求1～5中任一項的應(yīng)用，其特征在于，基團(tuán)R和R′包含18～24個碳原子。
8.權(quán)利要求1～4和6中任一項的應(yīng)用，其特征在于，基團(tuán)R和R1包含12～16個碳原子。
9.權(quán)利要求1～8中任一項的應(yīng)用，其特征在于，基團(tuán)R4和CmH2m表示亞甲基。
10.權(quán)利要求1～9中任一項的應(yīng)用，其特征在于，所述陰離子醚表面活性劑是醚硫酸鹽，其中n是1～5，而OA是氧化乙烯。
全文摘要
本發(fā)明涉及兩性離子表面活性劑與醚硫酸鹽或醚羧酸鹽表面活性劑組合在水基體系中作為減阻劑的應(yīng)用。該組合物除具有高減阻效果外，還具有對硬水的低敏感性。
文檔編號C09K3/00GK1487985SQ0280403
公開日2004年4月7日 申請日期2002年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月23日
發(fā)明者M·海爾斯坦, H·奧斯卡爾森, M 海爾斯坦, 箍ǘ 申請人:阿克佐諾貝爾公司