SE467826B - Anvaendning av alkoxilerad alkanolamid som friktionsreducerande medel - Google Patents

Description

..- 467 826 2 Denna dubbla funktion är, av lätt insedda skäl, inte möjlig att uppnå med fibrer eller kedjeformiga polymerer men däremot realiserbar med stavformade miceller, efterson1 man vanlien har betydligt högre strömningshastighet (större Rey- noldstal) i värmeväxlarna än i rörledningen.

Det karakteristiska för de stavformade micellernas verk- ningssätt är nämligen att de vid låga Reynoldstal (mindre än 104) är tämligen oordnade och ger låg eller ingen effekt på strömningsmotståndet.

Vid högre Reynoldstal (större än 104) paralleliseras mi- cellerna och ger en friktionsminskning mycket nära den teore- tiskt möjliga.

Vid ännu högre Reynoldstal (t ex större än 105) blir skärkrafterna i vätskan så stora att micellerna börjar slitas sönder och den friktionsminskande effekten avtar snabbt med ökande Reynoldstal.

Det intervall av Reynoldstal inom vilket tensiderna har sin maximala friktionsnedsättande verkan är starkt koncentra- tionsberoende - vid ökad koncentration ökar intervallet.

Det är således fullt möjligt att med val av rätt tensid- koncentration och lämpliga strömningshastigheter i rörsystem respektive 'värmeväxlare etablera laminär strömning i. rören och turbulens i värmeväxlarna. Därigenom kan dimensionerna på såväl rör som växlare hållas nere, alternativt kan antalet pumpstationer och därmed pumparbetet minskas vid bibehållna rördimensioner.

De tensider som hittills kommit till användning som friktionsminskande tillsatser till cirkulerande vattensystem - främst för värmedistribution - är alla av typen alkyltrí- metylammoniumsalicylat med den kemiska strukturen: o_\ Ho ' çH3 \_ R -Qfj vàxHš--crn (goæc - @ där R betyder en lång alkylkedja med 16-22 kolatomer och som antingen kan vara mättad eller innehålla en eller flera dubbelbindningar. *y i? 3 467 326 Denna tensidtyp fungerar bra redan vid en koncentration av 0.5 - 1 g/l men den bryts ned mycket långsamt såväl aerobt som anaerobt och har dessutom hög toxicitet mot vattenlevande organismer.

Eftersom värmedistributionssystem till småhusbebyggelse vanligen uppvisar betydande läckor - man beräknar att 60-100% av vattenmängden läcker ut under ett år - så måste man räkna med att tillsatta kemikalier hamnar i grundvatten och olika sötvattenrecipienter. Kombinationen av' låg bionedbrytbarhet och hög toxicitetär ett grundläggande kriterium för en miljö- förstörande produkt.

Det finns således ett uttalat behov av mindre miljö- störande tensider som har samma goda förmåga som ovan be- skrivna, kvartära ammoniumföreningar att minska strömnings- motståndet i cirkulerande vattensystem.

Det har nu överraskande visat sig att en sedan länge väl känd typ av nonjoniska tensider, nämligen alkoxilerade alkanolamider, har egenskaper att bilda långa cylindriska mi- celler. Vid strömningsförsök i vattenbaserade system uppvisar de en friktionsminskande verkan fullt i klass med den som uppnås med tidigare beskrivna alkyltrimetylammoniumsalicylat.

Mer specifikt hänför sig föreliggande uppfinning till använd- ning av en alkoxilerad alkanolamid med den allmänna formeln: RgNH(A)nH där R är en kolvätegrupp med 7-35 kolatomer, företrädesvis 9-23 kolatomer, A är en alkylenoxigrupp med 2-4 kolatomer och n är ett tal från 2-20, företrädesvis från 3-12, för fram- ställning av ett vattenbaserat flytande system med reducerat strömningsmotstånd mellan det strömande, vattenbaserade systemet och en fast yta. Med "vattenbaserat" förstås här att minst 50 viktprocent, företrädesvis minst 90 viktprocent av det vattenbaserade, flytande systemet utgöres av vatten. Den alkoxilerade alkanolamiden är speciellt lämplig att använda där det vattenbaserade systemet får strömma i långa ledning- ar, t ex ett hetvattensystem för värmedistribution. Mängden 467 826 4 alkoxilerad alkanolamid kan variera inom vida gränser bero- ende på förutsättningarna, men är i allmänhet 100-10 000 g/m3 av det vattenbaserade systemet.

Den alkoxilerade alkanolamiden kan framställas genom amidering av en karbonsyra med formeln RCOOH, där R har den ovan angivna betydelsen, med en alkanolamin med formeln NHAH, där A har den ovan angivna betydelsen, eller genom aminolys av en motsvarande triglycerid eller metylester med den ovan angivna alkanolaminen följt av alkoxilering av den därvid er- hållna amiden. Alkoxileringen kan utföras i närvaro av en alkalisk katalysator vid en temperatur av 150-18000.

Speciellt lämpligt är att utföra alkoxileringen i när- varo av en tertiär amin, som saknar med alkylenoxid reaktiva protoner, eller ett alkylenoxidkvartärnerat derivat av den tertiära aminen vid en temperatur från rumstemperatur till 120°C, varvid höga utbyten av den önskade produkten kan er- hållas. Exempel på lämpliga tertiära aminer är trimetylamin, trietylamin, tributylamin, dimetyloktylamin, tetrametyletyl- endiamin, dimetylkokosamin, tristearylamin, dimetylpiperazin och diazabicyklooktan.

Alkoxileringen kan omfatta etoxilering, propoxilering, anlagring av propenoxid och etenoxid i block, samtidig anlag- ring med etenoxid och propenoxid eller en kombination härav.

Etylenoxid utgör lämpligen minst 50 molprocent av anlagrad alkylenoxid. Enbart etoxilering är föredraget.

Karbonsyrorna med formeln RCOOH, där R har den ovan an- givna betydelsen kan vara såväl alifatiska, aromatiska som cykloalifatiska. Exempel på lämpliga karbonsyror är de ali- fatiska karbonsyrorna, där kolvätedelen kan vara både mättad eller omättad, rak eller grenad. Av dessa är speciellt kon- ventionella fettsyror föredragna. _ h» 5 Annes! 46/ 040 Specifika exempel på lämpliga alkoxilerade alkanolamider är följande: ' RgNH(C2H4O)4H , där RE är härledd från rapsfettsyra RgNH(C2H4O)7H , där RE är härledd från rapsfettsyra g O .

R NHc3H6o(c2H4o)3n , där Råå är härleda från laurinsyra RgNH(C2H40)4H , där RE är härledd från laurinsyra O RgNHC2H4O(A)4H , där RÖ är härledd från stearinsyra och gruppen A är randomanlagrad från lika moldelar etylenoxid och propylenoxid O RgNHC4H8O(C2H4O)lOH , där R& är härledd från linolensyra.

Valet av kedjelängd och omättnadsgrad bestäms av det temperaturområde, vid vilket den alkoxilerade alkanolamiden skall vara verksam. Ju högre temperatur desto större kolväte- grupp och mindre omättnad krävs. Valet av alkoxileringsgraden bestäms dels av kolvätegruppens storlek och mättnadsgrad dels av temperaturen. Ett enkelt sätt att bestämma om man har upp- nått rätt alkoxileringsgrad är att bestämma den alkoxilerade alkanolamidens grumlingspunkt i en 1-procentig lösning i det vattenbaserade systemet. Den alkoxilerade alkanolamidens för- måga att nedsätta strömningsmotståndet ökar nämligen med stigande temperatur om man befinner sig under grumlingspunkt- en medan dess effekt vid temperaturer över grumlingspunkten snabbt avtar och går mot noll. Alkoxileringsgraden och ingå- ende alkylenoxigrupper bör därför väljas på ett sådant sätt att den alkoxilerade alkanolamidens grumlingspunkt ligger vid eller något under den temperatur som råder i det vatten- baserade systemet under laminär iströmning, exempelvis vid Reynoldstal mellan 104 och 105. När det vattenbaserade systemets temperatur avsevärt varierar, exempelvis när det nyttjas som värmebärande medium i långa rörsystem, bör den Ioøl 467 826 6 alkoxilerade alkanolamidens grumplingspunkt åtminstone över- stiga den lägsta temperaturen som råder i det vattenbaserade systemet under laminär strömning. Företrädesvis bör grum- lingspunkten överstiga det vattenbaserade systemets högsta temperatur under laminär strömning. En justering till önskad grumlingspunkt kan lämpligen ske genom att blanda alkoxilera- de alkanolamider med olika grumlingspunkter. Blandningar av amider med olika grumlingspunkter kan även vara fördelaktiga .när temperaturen i vattensystemet under laminär strömning avsevärt varierar.

Förutom den alkoxilerade alkanolamiden kan det vatten- baserade systemet innehälla en rad konventionella komponenet såsom rostskyddsmedel, frostskyddsmedel och baktericider.

Dessutom kan även ingå solubiliserande medel, såsom dietylen- glykolmonobutyletrar, vilka kan avsevärt påverka de alkoxi- lerade alkanolamidernas grumlingspunkt i. det vattenbaserade systemet. _ Föreliggande uppfinning illustreras ytterligare av nedanstående exempel.

Exempel Mätningarna genomfördes i en 6 m lång rörslinga bestå- ende av två raka rostfria rör om vardera 3 m, den ena med 8.mm inre diameter och den andra med 10 mm. Vatten pumpades igenom rörslingan med en centrifugalpump, driven av en fre- kvensstyrd motor, för kontinuerlig reglering av flödeshastig- heten. Den senare bestäms med en rotameter.

På rörslingans raka delar fanns uttag som med hjälp av ventiler i tur och ordning kunde anslutas till en differens- tryckmätare vars andra sida var ständigt ansluten till en referenspunkt i rörslingan. Rörslingan var värmeisolerad och pumpens sugsida ansluten till en termostaterad behållare om 20 l volym till vilken också àterflödet från rörslingan skedde.

Sedan tillsats av testföreningen och termostateringen av vattenlösningen hade skett påbörjades mätningarna vid låga strömningshastigheter, varvid man för varje hastighet mätte tryckdifferensen från två punkter på 10 mm-röret och tre soul a 467 826 mätpunkter på 8 mm-röret. Erhållna tryckdifferenser har sedan omräknats till Moodys friktionsfaktor Y och visas i tabell som funktion av Reynoldstalet Re. _ 2 Y - 2D.Pdiff/V .L.d Re D.V.d/u = rördiameter = strömningshastigheter rörlängd över vilken tryckdiff. Pdiff uppmätes = vätskans densitet GQ-IIT' II = vätskans viskositet I tabellen anges även motsvarande Prandtl-värde och Virk-värde. Den förra motsvarar den friktionsfaktor som svarar mot rent vatten, d v s med turbulens, den senare en turbulensfri strömning.

Som testförening tillsattes någon av följande A Cetyltrimetylammoniumsalicylat B C12_14-alkohol + 6 EO C 50 viktprocent rapsfettsyraetanolamid + 3 EO 50 viktprocent rapsfettsyraetanolamid + 6 EO (Blandningens grumlingspunkt i vatten 56°C.) Följande resultat erhölls.i Tabell 1.

Förening A, tillsats 1 000 ppm, temperatur 50°C, Moodys friktionsfaktor 103 Reynoldstal 104 2x104 4x104 sx104 ax1o4 Pranati-tal so 24 22 21 20 10 mm ss 15 0,0 6,0 17 s mm 30 12 6,0 6,0 10 virk-tal 10 0 5,5 ' '4,s 3,0 -467 826 8 Tabell 2.

Förening B, tillsats 20 g/1, temperatur 80°C, Moodys frik- tionsfaktor ggymaiastai 104 2x104 4x104 5x104 ax104 Prandtl-tai 30 24 22 21 20 10 mm - 14 14 13 13 8 mm - 12 15 14 14 virk-tai 10 8,0 5,5 4,5 3,0 Tabell 3.

Förening C, tillsats 6 000 ppm, temperatur 25°C, Moodys frik- tionsfaktor ggymalastal 104 2x1o4 4x104 sx104 sx104 Pramatl-:a1 30 24 22 21 20 10 mm ' 15 9 6,0 5,0 10 8 mm 20 10 5,5 11 15 virk-tal 10 8,0 5,5 4,5 3 Av resultaten framgår att man kan erhålla en friktions- minskning med medel enligt uppfinningen ned till den teore- tiskt möjliga nivån (Virk-linjen) analogt med vad som tidigare är känt för alkyltrimetylammoniumsalicylat. Det är däremot inte möjligt med vanligen förekommande nonjontensider av typen fettalkoholetoxylat. Fördelen med det friktionsredu- cerande medlet enligt uppfinningen i jämförelse med de tidigare kända kvartära ammoniumföreningarna är den mycket lägre giftigheten mot vattenlevande organismer samtidigt med en mycket snabbare biologisk nedbrytning, såväl aerobt som anaerobt. Det är därför fullt möjligt att använda friktions- reducerande medel enligt uppfinningen som friktionsminskande tillsats även i värmedistributionssystem där ett visst läckage förekommer. ra, .

Claims (7)

PATENTKRAV

1. Användning av en alkoxilerad alkanolamid med den allmänna formeln RCNH(A) H H n där R är en kolvätegrupp med 7-35 kolatomer, företrädesvis 9-23 kolatomer, A är en alkylenoxigrupp med 2-4 kolatomer och n är ett tal från 2-20, företrädesvis från 3-12, för fram- ställning av ett vattenbaserat flytande system med reducerat strömningsmotstånd mellan det strömmande, vattenbaserade, flytande systemet och en fast yta.

2. Användning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att n väljes på ett sådan sätt att den alkoxilera- de alkanolamiden har en grumlingspunkt i använd koncentration i det vattenbaserade systemet som är högre än det vatten- baserade systemets lägsta temperatur under laminär strömning.

3. Användning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att grumlingspunkten är högre-än det vattenbasera- de systemets högsta temperatur.

4. Användning enligt krav 1, 2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att det vattenbaserade systemet är ett hetvattensystem med en temperatur av över 60°C.

5. Användning enligt något av kraven 1-4, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v att den alkoxilerade alkanolamiden tillsättes i en mängd av 100-10 000 g/m3 av det vattenbasera- de systemet.

6. Användning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e - t e c k n a d gd ä r a v att åtminstone hälften av alla alkylenoxigrupperna utgöres av etylenoxigrupper.

7. Användning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v_ att A är en etylenoxigrupp.