專(zhuān)利名稱(chēng)：：甜菜堿表面活性劑與陰離子表面活性劑一起作為減阻劑的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及將一種甜菜堿表面活性劑與一種陰離子表面活性硫酸鹽或磺酸鹽一起在水基體系中用來(lái)減少一種固體和該種水基液體體系間的流動(dòng)阻力。近年來(lái)，采用能形成很長(zhǎng)的圓柱形膠束的表面活性劑作為循環(huán)水系統(tǒng)尤其那些用作加熱或冷卻的系統(tǒng)的減阻添加劑已引起普遍的重視。一個(gè)重要的原因是雖然人們希望在管道內(nèi)保持層流，與此同時(shí)也希望在熱交換器中存在湍流，以便取得單位面積內(nèi)較高的熱轉(zhuǎn)換。很清楚，纖維或鏈狀聚合物不能提供這種雙重功能，然而這種雙重功能可以由線型膠束來(lái)獲得，因?yàn)橥ǔＡ魉?雷諾數(shù))在熱交換器中比在管道中高得多。線形膠束突出表現(xiàn)為在高度混亂情況下操作，當(dāng)雷諾數(shù)較低(低于104)時(shí)，對(duì)流動(dòng)阻力沒(méi)有或僅有輕微的影響。當(dāng)雷諾數(shù)較高(高于104)時(shí)膠束平行，導(dǎo)致阻力減少，非常接近理論值。當(dāng)雷諾數(shù)相當(dāng)高(例如，大于105)時(shí)，液體的剪切力變得相當(dāng)高以致于膠束開(kāi)始破壞，雷諾數(shù)增大到高于以上值時(shí)減阻作用迅速減少。表面活性劑具有最大減阻作用時(shí)的雷諾數(shù)的范圍很大程度上取決于濃度，隨濃度增加的范圍。因此，通過(guò)選擇表面活性劑在管道和熱交換器中合適的濃度和合適的流速，有可能在管道中形成層流而在熱交換器中形成湍流。因而使管道和熱交換器的尺寸都保持在較低的水平，或當(dāng)管道尺寸保持不變時(shí)減少泵站的數(shù)量，也就相應(yīng)地減少了泵的功率。對(duì)于加熱或冷卻水循環(huán)體系中用作減阻添加劑的最常用的表面活性劑是烷基三甲基銨的水楊酸鹽，其中的烷基是具有12～22個(gè)碳原子的飽和或含一個(gè)或多個(gè)雙鍵的長(zhǎng)烷基鏈。這種類(lèi)型的表面活性劑當(dāng)濃度為0.5～2kg/m3時(shí)性能滿足要求，但在需氧和厭氧情況下分解很慢，從而對(duì)海生物具有很大的毒性。由于小房屋的熱分配系統(tǒng)通常出現(xiàn)嚴(yán)重的漏水(據(jù)估計(jì)一年中60～100％的水漏出)，隨之而來(lái)的是添加的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入地下水和各種新鮮水容器中。這種低生物分解性和較高的毒性的結(jié)合是一種產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成污染的焦點(diǎn)。因此有必要制備這樣的表面活性劑，其對(duì)環(huán)境的危害小但在循環(huán)水系統(tǒng)中具有與以上所提到的季銨化合物相同的減少流動(dòng)阻力的性能。USP5339855中提到具有結(jié)構(gòu)式RCONH(A)mH結(jié)構(gòu)的烷氧化的鏈烷醇酰胺在水中能形成長(zhǎng)圓柱膠束，從而減少在水基體系中的阻力，其中R是具有9～23個(gè)碳原子的烴基，A是具有2～4個(gè)碳原子的烯氧基，n為3～12。這些產(chǎn)品容易分解且在去離子水尤其在低溫下性能良好。然而在硬水中當(dāng)電解質(zhì)含量高時(shí)減阻作用受影響，并且最佳減阻作用的溫度范圍相當(dāng)窄，有時(shí)僅10℃。目前我們驚奇地發(fā)現(xiàn)由至少一種具有10～24個(gè)碳原子，優(yōu)選14～24個(gè)碳原子的飽和或不飽和烷基或酰基的甜菜堿表面活性劑與一種結(jié)構(gòu)式R1-B的陰離子表面活性劑按甜菜堿表面活性劑與陰離子表面活性劑20∶1～1∶2，優(yōu)選10∶1～1∶1的比例結(jié)合使用，用于生產(chǎn)水基液體體系，該體系在流動(dòng)性水基液體體系和固體表面之間具有較低的流動(dòng)阻力，從而取得了很大的改進(jìn)，式中R1是10～24個(gè)碳原子的烴基，B是基團(tuán)或基團(tuán)其中M是氫或陽(yáng)離子，優(yōu)選是單價(jià)基團(tuán)。甜菜堿表面活性劑優(yōu)選地具有以下結(jié)構(gòu)式其中R是烷基或基團(tuán)RNC3H6-，其中R是?；?。憎水基團(tuán)R1可以是脂肪或芳香的，直鏈或支鏈的，飽和或不飽和的基團(tuán)。合適的陽(yáng)離子B是諸如鈉或鉀之類(lèi)的堿金屬?！八敝傅氖撬后w系統(tǒng)的至少50wt％，優(yōu)選至少90wt％由水組成。甜菜堿表面活性劑和陰離子表面活性劑都容易分解且其組合物在較寬的溫度范圍內(nèi)具有很好的減阻作用。因此，減阻添加劑可用于溫度低于30℃的冷卻介質(zhì)(比如當(dāng)使用的甜菜堿表面活性劑中的烷基或?；?4～16個(gè)碳原子時(shí))以及溫度范圍為50～120℃的熱交換介質(zhì)中(比如當(dāng)使用的甜菜堿表面活性劑中的烷基或酰基含18或18個(gè)以上碳原子時(shí))。按照本發(fā)明混合物也可以耐硬水和作為防腐劑而加入的電解質(zhì)。憎水基R，R和R1的碳原子數(shù)將決定混合物的使用溫度范圍以致于高的碳原子數(shù)得到適合于高溫的產(chǎn)品。此外，甜菜堿和陰離子表面活性劑可用這樣一種方法來(lái)選擇組合物的結(jié)晶溫度適當(dāng)?shù)氐陀谙胍┘拥乃w系的最低溫度。取決于條件，甜菜堿表面活性劑和陰離子表面活性劑的總量可以在較寬的范圍內(nèi)變化，但通常是0.1～10kg/m3的水基體系。甜菜堿和陰離子表面活性劑的溶液尤其適合于在很長(zhǎng)管道內(nèi)流動(dòng)的水基體系，比如用于熱和冷分配的循環(huán)水體系。甜菜堿表面活性劑可由N-烷基-N，N-二甲基酰胺或N-?；?N，N-二甲基-1，3二胺基丙烷與氯乙酸鈉在70～80℃及PH值9.5下于一種低級(jí)醇或水中反應(yīng)來(lái)制備。為了獲得好的減阻作用，甜菜堿產(chǎn)物中胺反應(yīng)物的含量必須很少。優(yōu)選地應(yīng)低于甜菜堿表面活性劑的5wt％，最優(yōu)選地低于甜菜堿表面活性劑的2wt％。如果要求產(chǎn)物中氯化物含量低，優(yōu)選地反應(yīng)在盡可能低水含量的異丙醇中進(jìn)行，這樣反應(yīng)中生成的氯化鈉將從產(chǎn)物中結(jié)晶出來(lái)從而通過(guò)過(guò)濾或離心分離。制備無(wú)氯產(chǎn)物的另一條途徑是用環(huán)氧乙烷和一種酸催化劑季銨化胺反應(yīng)物，然后將產(chǎn)物脫氫以制備所需要的甜菜堿表面活性劑。結(jié)構(gòu)式I中合適的基團(tuán)R和R是十四烷基，十六烷基，十八烷基，油烷基，菜子烷基和牛脂烷基或相應(yīng)的?；?。按照本發(fā)明，合適的陰離子表面活性劑是眾所周知的產(chǎn)品，其生產(chǎn)方法也是如此。典型的實(shí)例是從脂肪醇或合成醇衍生而來(lái)的脂肪族烷基硫酸鹽，和烷基芳烴磺酸鹽，如癸基硫酸鹽，十二烷基硫酸鹽，可可烷基硫酸鹽，油烷基硫酸鹽，牛脂烷基硫酸鹽以及相應(yīng)的磺酸鹽和十二烷基苯磺酸鹽和十六烷基苯磺酸鹽。陰離子表面活性劑的選擇取決于水的硬度，鹽含量和溫度。在硬水中，烷基苯磺酸鹽由于其鈣鹽良好的溶解性而比較合適。對(duì)于某一類(lèi)型的水而言，一種常用的測(cè)定甜菜堿表面活性劑和陰離子表面活性劑間合適的比例的方法是在一裝有合適的水的帶磁力攪拌的玻璃燒杯中制備一種甜菜堿表面活性劑的溶液(比如0.500kg/m3)并保持系統(tǒng)的溫度在所要求的范圍內(nèi)。然后將溶液用一種濃度為10kg/m3的陰離子表面活性劑的去離子水溶液滴定直到起始形成的渦流消失。詳細(xì)的操作程序在“篩選試驗(yàn)”中將進(jìn)行更詳細(xì)的描述。除了甜菜堿和陰離子表面活性劑以外，水基體系中還可含幾種諸如防腐劑，抗凍劑和殺菌劑之類(lèi)的通常組分。現(xiàn)在借助于以下的實(shí)例來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例組合物和產(chǎn)物的減阻性能根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)采用兩種不同的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的程序叫做篩選試驗(yàn)，另一種較復(fù)雜的流動(dòng)試驗(yàn)叫做環(huán)線試驗(yàn)。篩選試驗(yàn)將一系列的相同尺寸(65×35mm)的帶有一個(gè)用聚四氟乙烯密封的圓柱型磁塊(20×6mm)的50ml的玻璃燒杯每個(gè)加入40ml測(cè)試溶液然后置于一磁力攪拌器上，將一個(gè)溫度計(jì)浸入15mm的深度。攪拌器的轉(zhuǎn)速為1400rpm，然后在不同的溫度下紀(jì)錄溶液中所形成的渦流的深度。當(dāng)沒(méi)有渦流可檢測(cè)到時(shí)(紀(jì)錄為0mm)，由經(jīng)驗(yàn)可知這表明減阻性能良好。另一方面，如果不存在有效的添加劑(比如純水)，則渦流達(dá)到攪拌的磁塊，那么結(jié)果紀(jì)錄為35mm。環(huán)線試驗(yàn)測(cè)試在一6m長(zhǎng)的由兩根不銹鋼直管(每根3m)組成的管線中進(jìn)行，一根管線的內(nèi)徑8mm，另一根內(nèi)徑10mm。水由離心泵注入管線，離心泵由一臺(tái)頻率控制馬達(dá)控制以連續(xù)調(diào)節(jié)流速，流速用轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)測(cè)定。管線的不同長(zhǎng)度位置上開(kāi)有出口，這些出口借助于閥門(mén)可相應(yīng)地連接壓差表，壓差表的另一端連接管線的一個(gè)參考點(diǎn)。并且將管線絕熱，泵的吸入端與一個(gè)20L的恒溫容器相連，在此檢測(cè)管線的返回液。加入測(cè)試化合物后對(duì)水溶液進(jìn)行恒溫，測(cè)試在低流速下開(kāi)始，每個(gè)流速下測(cè)試10mm管線上的兩點(diǎn)和8mm管線上三點(diǎn)的壓差。然后將所測(cè)試的壓差轉(zhuǎn)變成Moody摩擦系數(shù)Y且在實(shí)例中表示成雷諾數(shù)Re的函數(shù)。Y＝2D-Pdiff/V2·L·dRe＝D·V·d/uD＝管徑V＝流速L＝測(cè)試壓差Pdiff所經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度d＝液體的密度u＝液體的粘度實(shí)例也闡明相應(yīng)的Prandtl數(shù)和Virk數(shù)。前者對(duì)應(yīng)于湍流下水流的摩擦因素，后者對(duì)應(yīng)于非湍流下的流動(dòng)，比如層流。實(shí)例1將38克NaCl，5克Ca(NO3)2·4H2O和5克MgSO4溶解在1.00L含8ppmCa2+的自來(lái)水中制得改性的海水。將43毫克結(jié)構(gòu)式為CH3(CH2)15-N+(CH3)2-CH2COO-的N-十六烷基甜菜堿的活性物質(zhì)(以下稱(chēng)之為C16-甜菜堿)以及6.6毫克結(jié)構(gòu)式為C12H25-C6H4SO3-Na+的線形十二烷基苯磺酸鈉鹽的活性物質(zhì)(以下稱(chēng)之為Na-LAS)溶解在40毫升以上所描述的水中。將測(cè)試溶液放入一只帶一個(gè)20mm磁力攪拌器的50ml的玻璃燒杯中并于一冰箱中冷卻至+5℃，然后在8～24℃間不同的溫度下進(jìn)行測(cè)試。在攪拌器轉(zhuǎn)速1400r.p.m.下測(cè)試所形成的渦流的深度。結(jié)果于下。</tables>以上結(jié)果表明，具有16個(gè)碳原子的長(zhǎng)度的烷基鏈，即由C16-甜菜堿代替C18-甜菜堿，與一種陰離子表面活性劑結(jié)合使用可使用于冷水中。實(shí)例2將80毫克C18-甜菜堿的活性物質(zhì)和8毫克Na-LAS的活性物質(zhì)溶解于40ml去離子水中。這些化合物的結(jié)構(gòu)除了C18-甜菜堿的烷基鏈含18個(gè)碳原子外與實(shí)例1中所用的相同。測(cè)試溶液在30～90℃間不同的溫度下按與實(shí)例1相同的方法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如下。<p>減阻劑組合物含85份C18-甜菜堿和15份Na-LAS，且0.5kg/m3的混合物加入實(shí)例3和4而2.0kg/m3加入實(shí)例5中。實(shí)例3中溫度為50℃，實(shí)例4中溫度為85℃，實(shí)例5中溫度是98℃。以下是測(cè)試結(jié)果。所有的數(shù)值由8mm管的測(cè)試計(jì)算而得。從這三個(gè)環(huán)線試驗(yàn)可以看出N-烷基甜菜堿和陰離子表面活性劑組合至少在50～85℃的溫度范圍內(nèi)具有良好的減阻作用，且減阻作用在85～98℃間有一定程度的減少。該結(jié)果與實(shí)例2中篩選試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。實(shí)例6將60毫克C18-甜菜堿的活性物質(zhì)和19毫克十二烷基硫酸鈉溶解于30ml去離子水中，制備測(cè)試溶液。溶液的PH值為9.5。篩選試驗(yàn)中該溶液在30～87℃的溫度范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)渦流。實(shí)例7將15毫克結(jié)構(gòu)式為RCONHCH2CH2CH2N+(CH3)2CH2COO的由菜籽酸與N，N-二甲基丙烯基甜菜堿形成的酰胺的活性物質(zhì)，其中RCO由菜籽油的脂肪酸衍生而來(lái)。將含60wt％油酸、20wt％亞油酸、9wt％亞麻酸，3wt％芥酸及其它主要是棕櫚酸和硬脂酸的脂肪酸與1.2毫克十二烷基苯磺酸鈉一起溶解于30ml去離子水中。溶液的PH值用氫氧化鈉調(diào)至9.8，磁力攪拌器的轉(zhuǎn)速為1100r.p.m.。將溶液從室溫慢慢加熱至80℃，然后按照篩選試驗(yàn)觀察渦流深度。以下是測(cè)試結(jié)果。溫度℃2025303540455055607580渦流mm35205530000110</table>這些結(jié)果表明在30～75℃的間隔內(nèi)這種組合物是一種良好的減阻劑。權(quán)利要求1.由至少一種具有10～24個(gè)碳原子，優(yōu)選14～24個(gè)碳原子的飽和或不飽和烷基或?；奶鸩藟A表面活性劑與一種具有結(jié)構(gòu)式R1-B的陰離子表面活性劑按甜菜堿表面活性劑與陰離子表面活性劑20∶1～1∶2，優(yōu)選10∶1～1∶1的比例相結(jié)合在生產(chǎn)水基液體體系上的用途，該體系在流動(dòng)的水基液體體系和固體表面之間具有減少的流動(dòng)阻力，其中R1是一個(gè)10～24個(gè)碳原子的烴基，B是基團(tuán)或基團(tuán)其中M是氫或陽(yáng)離子，優(yōu)選是單價(jià)基團(tuán)。2.至少一種具有以下結(jié)構(gòu)的甜菜堿表面活性劑的用途，其中R是烷基或基團(tuán)RNC3H6-，其中R為?；?。3.根據(jù)權(quán)利要求2中所要求的用途，其特征在于混合物的結(jié)晶溫度低于水基體系所需要的最低溫度。4.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3中所要求的用途，其特征在于水基體系是一種溫度范圍為50～120℃的傳熱介質(zhì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1，2或3中所要求的用途，其特征在于水基體系是一種溫度低于30℃的冷卻介質(zhì)。6.、根據(jù)權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)所要求的用途，其特征在于甜菜堿表面活性劑和陰離子表面活性劑的混合物以0.1～10kg/m3的量加入水基體系。7.根據(jù)權(quán)利要求1～4和6中任何一項(xiàng)所要求的用途，其特征在于烷基含18～24個(gè)碳原子。8.根據(jù)權(quán)利要求7中所要求的用途，其特征在于烷基含18～22個(gè)碳原子和一個(gè)或兩個(gè)雙鍵。9.根據(jù)權(quán)利要求1～4和6中任何一項(xiàng)所要求的用途，其特征在于?；?8～24個(gè)碳原子。10.根據(jù)權(quán)利要求9中所要求的用途，其特征在于?；?8～22個(gè)碳原子和一個(gè)或兩個(gè)雙鍵。11.根據(jù)權(quán)利要求1～3和5～6中任何一項(xiàng)所要求的用途，其特征在于烷基含14～16個(gè)碳原子。12.根據(jù)權(quán)利要求1～3和5～6中所要求的用途，其特征在于酰基含14～16個(gè)碳原子。13.根據(jù)權(quán)利要求1～12任何一項(xiàng)中所要求的用途，其特征在于R1是一個(gè)烷基苯基且B是一個(gè)磺酸根基。14.根據(jù)權(quán)利要求1～12任何一項(xiàng)中所要求的用途，其特征在于R1是一個(gè)烷基且B是一個(gè)硫酸根基。全文摘要由至少一種包含具有10～24個(gè)碳原子,優(yōu)選是14～24個(gè)碳原子的飽和或不飽和烷基或?；奶鸩藟A表面活性劑與一種結(jié)構(gòu)式為R文檔編號(hào)C09K3/00GK1177974SQ96192436公開(kāi)日1998年4月1日申請(qǐng)日期1996年3月5日優(yōu)先權(quán)日1995年3月9日發(fā)明者M(jìn)·赫爾斯坦,I·哈維格桑申請(qǐng)人:阿克佐諾貝爾公司