CN1089994A - 一种能替代汞的合金及制备法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能替代汞的低熔合金及该合金 的制备法和应用。其目的在于消除现有仪器中使用 汞产生的剧毒，而提供一种无毒、无腐蚀、高性能的汞 替代物。本发明提供的低熔合金是由锌、铋、锡、铟、 镓组成，其重量比为锌1～5％、铋1～5％、锡10～ 15％、铟18～22％、镓60～70％。在制备过程中要 不断通入氮气，待温度降到30℃时，再加入覆盖剂氟 碳或对使用仪器内壁镀一层抗粘涂层。本发明的合 金主要用于替代汞作各型仪器中的传压、传热介质。

Description

本发明涉及一种低熔合金及该合金的制备方法和替代汞在各型仪器中的应用。

目前，国际国内在各种仪器、仪表中，使用汞的很多。如在石油工业部门的油气田勘探开发中，使用的大型分析仪器PVT相态分析仪，每台需用汞数十公斤。近年来，我国先后从美国、加拿大、法国、丹麦以及前苏联引进了十多台PVT相态分析仪，这些仪器均使用汞作传压介质。以汞作工作介质，它和液体之间的物理化学作用较小、压缩系数小、传递压力直接、机械搅拌倾斜角大、汞溅落搅拌作用好，有利于达到热平衡、计量精度高等优点。它的最大缺点在于：汞的蒸气有剧毒，即使在很低的温度下它也会蒸发，汞在50℃时的危害性是0℃时对人体危害的60余倍。用汞作工作介质时对人体危害极大，它不仅危害操作人员的身体健康，而且对周围环境也有极大影响，使科研、生产受到很大制约，在一年中大约有三分之二的时间无法利用它工作。

为了解决PVT仪中汞的毒性问题，目前世界上采用的措施有两种方法：其一是采用活塞式无汞PVT仪;其二是采用汞的替代物。

1986年以来，国内外发展了多种型号的无汞PVT仪，但都是采用活塞推进传压，其共同的弱点是PVT筒内机械活塞接触不可避免地存在“死体积”①和密封困难等问题，致使计量不准甚至某些参数无法测定。因此，研制一种汞的替代物就具有广泛的前途和实用价值。据高等工科院校教材《油层物理》（何更生编）139页中提到“我国研究成功的无汞传压介质是硫酸锌（ZnSO₄）水溶液，这是一种较为理想的传压介质，它克服了汞有毒性的缺点。又据加拿大DBROBINSON设计和制造有限公司《产品说明书》50页中提到下面几种液体可选作可能的替代液体：水、乙二醇类、硅氧烷类、金属溶液类。经分析这些替代物，有的是水溶性的;有的是油溶性的，它们都不能直接与待分析体系接触，否则将会改变体系组成，造成严重误差。因此，上述物质只能间接地作为汞的替代物通过推动活塞来作传压介质。这样既不能解决活塞式无汞PVT仪存在的“死体积”问题，相反又增加了“薄膜效应”②。

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种无毒、无腐蚀、高性能、各型仪器均能使用的汞替代物-一种低熔合金及其制备方法和应用。

根据汞作为传压介质在PVT仪中所起的作用，研制的汞替代物在PVT仪的钢筒内要直接与油气体系接触，必须避免由于汞替代物的加入而改变油气体系的组成。因此对油气体系在汞替代物中的溶解度，以及替代介质本身的熔点、沸点、比重、粘度、蒸汽压、毒性、腐蚀性和原料来源都有一定要求，即必须严格满足下列条件：

1、汞替代物不能溶于油，在特定情况下也不能溶于水;

2、汞替代物本身无毒性，对设备无腐蚀性、不易燃、不易爆、操作安全可靠，对人体和周围环境无危害;

3、比重尽可能大些，至少要明显大于油的比重，以便介面分异现象明显;

4、在常温甚至低温下具有可流动性，粘度不能过大，沸点要尽可能高，至少要求明显高于相平衡实验的地层温度;

5、介质本身的饱和蒸汽压要小，气体溶解度越小越好;

6、介质来源要广泛，价格适中。

研制汞替代物的关键是合成一种能满足上述六点要求的低熔合金以及解决合金在玻璃和钢壁上的粘附作用。

本发明的主要技术特征是：发明的低熔合金是山锌、铋、锡、铟、镓组成，各组分的重量百分比为：

锌  1～5%

铋  1～5%

锡  10～15%

铟  18～22%

镓  60～70%

该低熔合金的制备方法是：首先将一定量的锌放在钳锅内，通过加热装置加热至420℃。然后将一定量的铋加入盛锌的钳锅内，待熔化均匀后再按比例加入锡和铟，最后加入需要量的镓。在制备合金的过程中要不断通入保护气氮气。五种组分完全熔融后，逐渐冷却，待温度降到30℃时，再加入1～5%的覆盖剂氟碳。整个制备过程完成后，产品经过过滤或水洗便可能得到干净的无杂质的低熔合金。制备过程中需要下列设备：钳锅数个，加热装置一套、保护气氮气一瓶以及搅拌装置一套。

在将此低熔合金产品投入实际应用时，还需要解决合金的润湿性。目前解决此低熔合金对玻璃和钢壁的润湿性有两种途径：一是加入一定量的覆盖剂;二是待接触部分表面镀一层耐高温高压的抗粘涂层。

本发明的低熔合金产品其主要用途是：

（1）替代汞作各型仪器中的传压介质;

（2）替代汞作各型仪器中的传热介质，其传热性能优于汞;

（3）替代汞作各型仪器中的计量介质;

（4）可作特殊部件的密封材料、高温润滑剂。

本低熔合金产品的主要技术指标如下：

熔点：-14.8℃

沸点：2170℃

比重（20℃）：6.58;

比热（20℃）：0.30（焦/克·度）;

导热系数（20℃）0.36（焦/厘米·秒·度）;

熔化热（20℃）5.30（千焦/摩尔）;

表面张力（20℃）0.67（牛顿/米）;

蒸气压（1000℃）0.78Pa

粘度（20℃）7∶30厘泊

温度系数（-15℃～200℃）2.99×10^-5（1/K）;

压变系数（0.1～50MPa）8.97×10^-4（1/MPa）;

本低熔合金产品与现有技术相比，有如下优点：

（1）消除了无汞PVT仪中传压介质汞的毒性;

（2）消除了无汞PVT仪中存在的“死体积”问题;

（3）消除了无汞PVT仪中使用其它介质时存在的“薄膜效应”;

（4）本低熔合金在用作传压介质时，所有技术指标均达到或超过了使用汞的技术指标;

（5）解决了本低熔合金对玻璃和钢壁的润湿性问题。

现举二例来说明该低熔合金的组成和制备方法以及在替代汞作传压介质的效果。

实施例1：称10克锌放在钳锅里加热至熔化，然后将20克铋加入其中，待熔化均匀后再加入120克锡和200铟，最后加入650克镓。在整个制备过程中不断通过保护气氮气。待温度降至30℃时再加入一定量的覆盖剂氟碳。配制完成后，通过过滤或水洗便可得到干净的无杂质的低熔点合金。

实施例2：（1）二氧化碳相图的测定

在使用汞和本合金作传压介质的情况下分别测定了二氧化碳相图，对比结果见表1。

                  表1  二氧化碳相图对比测定表

与标准值相比，汞测定CO₂相图的平均相对误差为1.5%，本合金测定CO₂相图测试误差仅为0.7%。可见，本合金的测试结果与汞的测试结果相当，在某些点本合金的测试结果稍优。

（2）四川矿区某井露点压力对比测定

在使用汞和本合金的情况下分别测定了四川矿区某井的露点压力，并将结果与曾获国家科技进步奖的相态计算软件的计算结果作了对比，其结果见表2。

表2 某井露点压力对比表

温度（℃）	上露点（MPa)			下露点（MPa)
							汞	本合金	计算值	汞	本合金	计算值
	28	18.9	18.4	18.6	-	-							－
40							20.9	21.0	21.1	0.85	0.80	0.83
	56	21.4	21.6	21.8	1.50	1.40							1.40
64							19.7	20.0	20.2	1.90	1.90	2.00
	73	19.1	19.0	18.8	2.30	2.40							2.40
85							18.3	18.1	18.2	3.20	3.10	3.20
	95	17.1	17.0	16.8	4.10	4.00							3.90

由实验结果表明：本合金的测试结果与汞的测试结果相比较，上露点平均相对误差低于1.2%;下露点低于4.1%。与计算值相比较，上露点低于0.9%，下露点低于2.3%。由此说明，本合金测试结果与汞相当，与计算值吻合好。

经过一系列实际检验，充分证明本发明的低熔点合金在用作传压介质时，各项性能指标均达到或超过了汞，完全可以替代汞作各型仪器中传压工作介质。

备注：①“死体积”系指内活塞与筒壁之间机械接触的微小环形缝隙。由于活塞在高温高压下不断运动，致使“死体积”无法准确校正，而“死体积”占整个计量体积的比重又比较大，故引起的误差也较大。

②“薄膜效应”系指传压介质推动活塞向前运动，待活塞退回原处后，在盛样品部分的筒壁上留下一层微厚的液膜，这层液膜如与待分析体系发生溶解，这样势必引起实验误差。

Claims (3)

1、一种能替代汞的低熔合金，其特征在于：该合金是由锌、铋、锡、铟、镓组成，各组分的重量百分比为锌1～5%、铋1～5%、锡10～15%、铟18～22%、镓60～70%。

2、根据权利要求1所述的低熔合金，其特征是：该合金的制备方法是先将锌放在钳锅内加热至熔化，然后将一定量的铋加入其中，待熔化均匀后再加入锡和铟，最后加入需要量的镓，在制备过程中要不断通入保护气氮气，待温度降到30℃时再加入覆盖剂氟碳，配制完成后，通过过滤或水洗便可得到干净的无杂质的低熔合金。

3、根据权利要求1所述的低熔合金，其特征是：该合金主要用于替代汞作各型仪器中的传压介质、传热介质、计量介质以及作特殊部件的密封材料、高温润滑剂，在应用时，需解决该合金对玻璃或钢壁的润湿性，或加入一定量的覆盖剂;或在待接触部分表面镀一层耐高温高压的抗粘涂层。