SE504086C2 - Användning av en alkylbetain tillsammans med en anjonisk ytaktiv förening som friktionsreducerande medel - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 086 2 ningshastigheter i rörsystem respektive värmeväxlare etable- ra laminär strömning i rören och turbulens i värmeväxlarna.

Därigenom kan dimensionerna på såväl rör som värmeväxlare hållas nere, alternativt kan antalet pumpstationer och där- med pumparbetet minskas vid bibehållna rördimensioner.

De ytaktiva föreningar, som hittills mest kommit till användning som friktionsminskande tillsatser vid cirkuler- ande vattensystem för distribution av värme eller kyla, är av den typ som representeras av alkyltrimetylammoniumsali- cylat, i vilken alkylgruppen är en lång alkylkedja som har 12-22 kolatomer och som kan vara mättad eller innehålla en eller flera dubbelbindningar.

Denna typ av ytaktiva medel fungerar tillfredsställ- ande redan vid en koncentration av 0.5-2 kg/m3, men den ned- brytes mycket långsamt både aerobt och anaerobt och har dessutom hög toxicitet mot vattenlevande organismer.

Eftersom värmedistributionssystem för småhusbebyggel- se 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 bionedbryt- barhet och hög toxicitet är ett grundläggande kriterium för en miljöförstörande produkt.

Det finns således ett uttalat behov av mindre miljö- störande ytaktiva medel, som har samma goda förmåga som ovan beskrivna, kvartära ammoniumföreningar, att minska ström- ningsmotståndet i cirkulerande vattensystem.

I den amerikanska patentskriften 5 339 855 beskrives att alkoxilerade alkanolamider med den allmänna formeln Rfim: (A) nn O där R är en kolvätegrupp med 9-32 kolatomer, A är en alky- lenoxigrupp med 2-4 kolatomer och n är 3-12, har förmåga att bilda långa cylindriska miceller i vatten och således redu- cera friktionen i vattenbaserade system.

Dessa produkter är lätt nedbrytbara och fungerar utomordentligt i avjoniserat vatten, speciellt vid låga 10 15 20 25 30 35 504 086 3 temperaturer. Emellertid hämmas de friktionsreducerande effekterna i hårt vatten och genom närvaro av höga mängder elektrolyter. Dessutom kommer temperaturintervallet för optimal friktionsreducerande effekt att vara ganska smal, ibland så liten som 10°C.

Det har nu överraskande visat sig att användning av en N-alkylbetain med den allmänna formeln $Hß R-rIf-cnzcoo' (I) cH3 där R är en mättad eller omättad alkylgrupp med 10-24 kol- atomer i kombination med en anjonisk tensid med den allmänna strukturen Rl-B där R1 är en kolvätegrupp med 10-24 kolatomer och B är i? “ä gruppen -ÉOM eller gruppen -OÉOM, i vilken M är väte eller O en katjon, företrädesvis monovalent grupp, i en proportion mellan N-alkylbetainen och den anjoniska tensiden från 20:1 till 1:2, företrädesvis från 10:1 till 1:1, för att produ- cera ett vattenbaserat vätskesystem med lågt strömningsmot- stånd mellan det strömmande vattenbaserade vätskesystemet och en fast yta. Den hydrofoba gruppen R1 kan vara alifatisk eller aromatisk, rak eller grenad, mättad eller omättad. Den katjoniska gruppen B är lämpligen en alkaligrupp, såsom natrium eller kalium. Med "vattenbaserad" avses att åtmin- stone 50 viktprocent, företrädesvis minst 90 viktprocent av det vattenbaserade flytande systemet är vatten. Både betain och den anjoniska tensiden är lätt nedbrytbara och kombina- tionen ger en utmärkt friktionsreducerande effekt inom ett brett temperaturområde. Således kan de friktionsreducerande additiven användas i ett kylmedia vid temperaturer under 30°C, när man t ex använder en betain med en R-grupp med 14- 16 kolatomer, och i en värmeöverförande media vid en temperatur i området 50-120°C, när man t ex använder en betain med en R-grupp med 18 kolatomer eller fler. Bland- 10 15 20 25 30 35 504 086 4 ningarna enligt uppfinningen kan även fördraga hårt vatten och elektrolyter, som kan tillsättas exempelvis som korro- sionsinhibitorer. Antalet kolatomer i de hydrofobiska grupperna är R och R1 kommer att bestämma det användbara temperaturområdet för blandningen så att ett högt antal kol- atomer ger produkter lämpliga för höga temperaturer.

Dessutom väljes betainen och den anjoniska tensiden lämpligen på ett sådant sätt att kristallisationstempera- turen för kombinationen lämpligen är lägre än den lägsta temperaturen, för vilken det vattenbaserade systemet är av- sett.

Den totala mängden N-alkylbetain och den anjoniska tensiden kan variera inom vida gränser beroende på betingel- serna, men den är vanligtvis från 0.1-10 kg/m3 av det vattenbaserade systemet.

Lösningen av N-alkylbetainen och den anjoniska ten- siden är speciellt lämpad för användning i vattenbaserade vätskesystem som strömmar i långa rörledningar, exempelvis för cirkulation av vattensystem för distribution av värme eller kyla.

Alkylbetainen kan framställas genom att bringa en N- alkyl-N,N-dimetylamin att reagera med Na-kloracetat vid 70- 80°C och ett konstant pH-värde av 9.5 i ett medium av en lägre alkohol eller vatten. För att erhålla en god frik- tionsreducerande effekt är det väsentligt att mängden tri- alkylaminreaktant i betainprodukten är låg. Företrädesvis skall den vara lägre än 5 viktprocent och allra helst lägre än 2 viktprocent räknat på betainen. Om en låg kloridhalt i produkten är nödvändig kan reaktionen företrädesvis utföras i isopropanol med så låg vattenhalt som möjligt, varvid bildad natriumklorid i reaktionen kommer att utkristallise- ras och kan återvinnas genom filtrering eller centrifuge- ring. En annan väg för erhållande av en kloridfri produkt är att kvartärnera N-alkyl-N,N-dimetylamin med etylenoxid och en sur katalysator och därefter dehydrera den erhållna pro- dukten för att erhålla den önskade N-alkylbetainen. Gruppen R i formeln (I) kan lämpligen vara tetradecyl, hexadecyl, 10 15 20 25 30 35 504 086 5 oktadecyl, oleyl, rapsalkyl och talgalkyl.

De anjoniska tensiderna, som är lämpliga för använd- ning i enlighet med föreliggande uppfinning, är välkända produkter och det är även produktionsmetoderna. Typiska exempel är alifatiska alkylsulfater, härledda från fettalko- holer eller syntetiska alkoholer, och alkylarensulfonater, såsom decylsulfat, dodecylsulfat, kokosalkylsulfat, oleyl- sulfat, talgsulfater och motsvarande sulfonater och dodecyl- bensensulfonater och hexadecylbensensulfonat.

Valet av den anjoniska ytaktiva föreningen beror på vattnets hårdhet, saltinnehåll och temperatur. I hårt vatten är alkylbensensulfonater lämpliga beroende på kalciumsalter- nas bättre löslighet.

Ett bekvämt sätt att bestämma de rätta proportionerna mellan N-alkylbetainen och den anjoniska tensiden för en viss typ av vatten är att tillreda en lösning av exempelvis 0.5 kg/m3 av betainen i vattnet ifråga i en glasbägare med en magnetomrörare och hålla temperaturen i mitten av det avsedda temperaturintervallet för systemet. Denna lösning titreras därefter med en lösning av den anjoniska tensiden med en koncentration av 10 kg/n? i avjoniserat vatten tills den virvel, som ursprungligen bildades, försvinner.

Detaljerna i detta förfarande beskrives mer i detalj under rubriken "Urvalstest".

Förutom N-alkylbetainen och den anjoniska tensiden kan det vattenbaserade systemet innehålla ett antal av kon- ventionella komponenter, såsom korrosionsinhiberande medel, frysförhindrande medel och baktericider.

Föreliggande uppfinning illustreras ytterligare av följande exempel.

Exempel De friktionsreducerande egenskaperna av kompositioner enligt uppfinningen och jämförelseprodukter enligt tidigare känd teknik testades med två olika metoder. En metod, som är ganska enkel, kallas för urvalstestet och den andra, mer laborativa, metoden kallas för rörslingetestet. 10 15 20 25 30 35 504 086 Urvalstestet En serie av 50 milliliters glasbägare av samma dimen- sioner (65x35 mm), som var och en innehöll en teflon-beklädd cylindrisk magnet (20x6 mm) fylldes med 40 ml av en testlös- ning och placerades därefter på en magnetisk omrörare. En termometer neddoppades till ett djup av 15 mm och omröraren startades vid ett varvtal av 1 400 varv/minut och djupet av den virvel som bildades i lösningen mättes vid olika tem- peraturer. När ingen virvel kunde iakttagas noterades detta som 0 mm. Genom erfarenhet är det känt att detta indikerar goda friktionsreducerande egenskaper. Om å andra sidan, inget effektivt additiv var närvarande, till exempel för rent vatten, nådde virveln ner till den omrörande magneten och resultatet uppmättes till 35 mm.

Rörslingetestet Mätningarna genomfördes i en 6 m lång rörslinga be- stående 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 flödes- hastigheten. Den senare bestämdes med en rotameter.

På rörslingans raka delar fanns uttag som med hjälp av ventiler i tur och ordning kunde anslutas till en dif- ferenstryckmätare, vars andra sida var ständigt ansluten till en referenspunkt i rörslingan. Rörslingan var värmeiso- lerad och pumpens sugsida ansluten till en termostaterad be- hållare om 20 1 volym, till vilken också återflödet från rörslingan skedde.

Efter det att testföreningen hade tillsatts och den vattenhaltiga lösningen blivit termostaterat påbörjades mät- ningarna vid låga strömningshastigheter och tryckskillnader- na mellan två punkter på den 10 mm tjocka tuben och tre punkter på den 8 mm tjocka tuben mättes för varje flödes- hastighet. Tryckdifferenserna, som således uppmättes, om- vandlades därefter till Moodys friktionsfaktor Y och visas i exemplen som funktion av Reynoldstalet Re. 10 15 20 25 504 086 zvpdiff/vzL-d Re = D'V'd/u = tubdiameter v< ll = strömningshastighet rörlängd över vilken tryckdiff. Pfiif uppmätes = vätskans densitet CQ-IT' Il = vätskans viskositet Exemplen anger även motsvarande Prandtl-tal och Virk- tal. Det förra talet motsvarar den friktionsfaktor som svarar mot rent vatten, d V s med turbulens, det senare talet en turbulensfri strömning, d v s en laminär strömning.

Exempel 1 Ett syntetiskt havsvatten framställdes genom upplös- ning av 38 g NaCl, 5 g Ca(NO3)¿4 H20 och 5 g MgSO4 till 1 liter kranvatten, som innehöll 8 ppm Ca2*.

I 40 ml av detta vatten upplöstes 43 mg aktiv sub- stans av N-hexadecylbetain med strukturen ca, (cnz) ls-N* (cH3) z-crncoo' (i det följande benämnd Cm-betain) och 6.6 mg aktiv sub- stans av natriumsaltet av en linjär dodecylbensensulfonat med strukturen cnnzs-csrnsogua* (i det följande benämnd Na-LAS). Denna testlösning förvara- des i en 50 ml glasbägare, som även var försedd med en 20 ml magnetisk omrörare, och kyldes ned till +5°C i ett kylskåp och testades vid olika temperaturer från 8°C till 24°C.

Virvelns djup, som bildades vid omrörning med en hastighet av 1400 varv/minut mättes och antecknade i millimeter.

Följande resultat erhölls. 10 15 20 25 30 35 504 086 8 Temp. °C Virvel, mm Utseende 8 20 grumlig 13 2 grumlig 16 O lätt grumlig 17.5 0 oklar 19 1 klar 20 2 klar 22 3 klar 24 5 klar Av resultatet framgår att användningen av en alkyl- kedja med en kedjelängd av 16 kolatomer, d v s en Clg- i stället för en Cm-betain i kombination med en anjonisk tensid kan användas för kallvattenapplikationer.

Exempel 2 I 40 ml av avjoniserat vatten upplöstes 80 mg aktiv substans av ett Cm-betain och 8 mg aktiv substans av Na- LAS. Strukturen av dessa föreningar är samma som de som an- gives i Exempel 1 men med undantag för att Cm-betainen har en alkylkedja, som innehåller totalt 18 kolatomer. Testlös- ningen provades på samma sätt som i Exempel 1 vid tempera- turer från 30-90°C. Följande resultat erhölls.

Temp. °C Virvel, mm 30 l 40 50 60 70 80 NOOOOO 90 Lösningen var klar i hela temperaturintervallet.

Urvalstestet indikerar att kombinationen av Cig- betain och Na-LAS har en god friktionsreducerande effekt i temperaturområdet 30-88°C. 10 15 20 25 30 504 086 Exempel 3-5 Testerna utfördes i enlighet med rörslingetestet.

Avjoniserat vatten användes under dessa försök. Komposi- tionen av det friktionsreducerande tillsatsmedlet utgjordes av 85 viktdelar Cm-betain och 15 viktdelar Na-LAS och 0.5 kg/ma av denna blandning tillsattes i Exempel 3 och 4 och 0.2 kg/m3 i Exempel 5. Temperaturen var 50°C i Exempel 3, 85°C i Exempel 4 och 98°C i Exempel 5. Följande resultat erhölls.

Moody's friktionsfaktor x 103 Reynoidstal sxioa 104 zxio” sx1o“ sx1o“ zxios Prändtltal 36 32 27 21 19 15 Exempel 3 36 20 16 21 18 15 Exempel 4 18 13 7 5 18 15 Exempel 5 36 28 29 21 16 13 Virktal 15 11 7 5 4 2.8 Alla värden är beräknade från mätningar i tuben med en diameter av 8 mm. Från dessa tre rörledningstester kan den slutsatsen dras att kombinationen av N-alkylbetain och den anjoniska tensiden har god friktionsreducerande effekt, åtminstone inom temperaturintervallet 50-85°C och att denna effekt minskar väsentligt någonstans mellan 85 och 98°C.

Dessa resultat är i god överensstämmelse med resultatet från urvalstesterna i Exempel 2.

Exempel 6 En testlösning framställdes genom upplösning av 60 mg aktiv substans av Cm-betainen och 19 mg natriumlauryl- sulfat i 30 ml avjoniserat vatten. pH-värdet av lösningen var 9.5. I urvalstestet gav denna lösning ingen virvelbild- ning från 30°C till 87°C.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 504 086 lO P A T E N T K R A V

1. Användning av åtminstone en N-alkylbetain med den allmänna formeln .CHB R-rleflcnzcoo' (I) CH, Där R är en mättad eller omättad alkylgrupp med 10-24 kol- atomer, företrädesvis 14-24 kolatomer, i kombination med åtminstone en anjonisk tensid med den allmänna strukturen Rl-B där R1 är en kolvätegrupp med 10-24 kolatomer och B är S? f? gruppen -ÉOM eller gruppen -O§OM, i vilket M är väte eller I O O en katjon, företrädesvis en monovalent grupp, i en relation mellan N-alkylbetainen och den anjoniska tensiden från 20:1 till 1:2, företrädesvis i området från 10:1 till 1:1 för framställning av ett vattenbaserat vätskesystem med redu- cerat strömningsmotstånd mellan det strömmande vattenbase- rade vätskesystemet och en fast vägg.

2. Användning enligt krav 1, kännetecknad därav, att blandningens kristallisationstemperatur är under den lägsta temperaturen, för vilket det vattenbaserade systemet är av- sett.

3. Användning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad där- av, att det vattenbaserade systemet är ett värmeöverför- ingsmedium med en temperatur inom intervallet från 50-120°C.

4. Användning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad där- av, att det vattenbaserade systemet är ett kylmedium med en temperatur under 30°C.

5. Användning enligt något av kraven 1-4, kännetecknad därav, att blandningen av N-alkylbetain och anjonisk tensid tillsättes i en mängd av 0.1-10 kg/ma av det vattenbaserade systemet. 10 15 504 086 ll

6. Användning enligt något av kraven 1-3 och 5, känne- tecknad därav, att R innehåller 18-24 kolatomer i N-a1kyl- betainen.

7. Användning enligt krav 6, kännetecknad därav, att R i N-alkylbetainen innehåller 18 kolatomer och en eller två dubbelbindningar.

8. Användning enligt något av kraven 1-2 och 4-5, kännetecknad därav, att R innehåller 14-16 kolatomer i N- alkylbetainen.

9. Användning enligt något av kraven 1-8, kännetecknad därav, att R1 är en alkylbensengrupp och B är en sulfonat- QIUPP-

10. Användning enligt något av kraven 1-8, kännetecknad därav, att R1 är en alkylgrupp och B är en sulfatgrupp.