工业水处理表面活性剂的减阻性能研究李建生

青海西宁中国精细化工协会第五届水处理化学品行业年会论文集雌而t工业水处理表面活性剂的减阻性能研究李建生’魏清’(1.天津职业大学生物与环境工程学院,天津300402;2,中海油天津化工研究设计院,天津300131)〔摘要」为了探讨将工业水处理表面活性剂作为循环水管道减阻剂使用的可行性,用旋转猫度计对级化十二烷基二甲基节基胺杀菌灭藻剂和椰油酸二乙醉酞胺缓蚀阻垢剂组成的多功能减阻剂配方进行了初步筛选,然后在室内模拟环道评价装置上进一步评价。当水溶液中减阻剂浓度1.2叭,水溶液流速.255毗时减阻率为523%。〔关键词1抓化十二烷基二甲基节基胺:椰油酸二乙醉酞胺;水处理剂;减阻剂;评价Studyontl比edargerduotionehaaroteristicsofindustrialwaetrteratmentSUfr白otantLiJianshepg,WeiQing仃ianjinpm丘污so苗iaunivseriyt,nanjin“岛冶别rChandde溢gninsiitotteofhce而因bd助即)Abstrct:nIo川erotstUdyhetfeasiibilytofindusitralwa1eLretratmeinsuzfaeatntasdargr以lueCr,adragerdcuignfolmul西oncon面innglauyrldlmehtylbe猫守】a“unomulnihcoirdeand以沁oanut几tty即idN洲刁iehtanolamideawsPerlilnln田下seleoetdiwhtaoratyrviscomeetr,fo川lerveal.atdewihtaoormvaeIatUingeq砰ImPent.Ad雌reducitonof52.3%wasobatlnedford吨代血忧rconceln介itIonofl.2泌inwateratifown妓eof2.55n以5.K好,ords:l即叮ld油ehtylbe川wl~~c址。dde;cco。曲以伽yaCidN,N刁iehtanol咖;dewateretraltnent;d吨;evaliuatgn.工业生产装置和空调设备的循环水系统连续运行,普遍存在高能耗的问题,其中循环泵能耗高达换热系统能耗的3。%一50%,在循环水系统中加入管道减阻剂是简便易行的节能方法。早期的循环水管道减阻剂是以聚氧乙烯和聚丙烯酞胺为代表的高分子聚合物,实际应用中聚合物易被循环泵和应力剪切断链失去减阻性能。后来发现某些表面活性剂也具有减阻功能,特别是能形成长圆柱形胶束的表面活性剂减阻性能突出。长圆柱形胶束在热交换器内被剪切失去减阻功能,而在热交换器后的管道中胶束再次形成恢复了减阻作用,可以在循环水系统中长期使用川.国外专利公开的新型表面活性剂减阻剂价格昂贵,对管道设备腐蚀性和长期稳定性数据缺乏,限制了其在中小循环水系统中推广应用12司。国内循环水系统水处理剂开发和应用发展迅速,但对水处理剂的减阻节能功能关注不多,目前仅有上海交通大学和哈尔滨工业大学等个别单位从事循环水管道减阻剂的基础研究,主要集中在比较成熟的十六烷哎而t中国精细化工协会第五届水处理化学品行业年会论文集2009年7月基三甲基水杨酸按冰杨酸钠体系的减阻性能研究上冈。为了使循环水管道减阻技术早日进入实用阶段,笔者提出了从缓蚀性和安全稳定性数据可靠的工业水处理表面活性剂中筛选循环水管道减阻剂的新思路。创新设计了由几种具有减阻分子结构的水处理表面活性剂复合的多功能减阻剂配方,使多功能减阻剂兼有缓蚀气阻垢、杀菌和减阻节能等多种功能。1循环水管道多功能减阻剂配方设计减阻效应是.KMyseis和.B.AoTlr`于1948年发现的,减阻剂已在国内外油品输送管道上得到广泛应用:取得了很大的经济和社会效益,但在循环水管道上应用仍处于研究开发阶段。关于管道减阻机理有多种理论,发现在稀溶液中加入减阻剂通常使流体戮度增大,高雷诺区中使流体由湍流状态转变为层流状态,从而使流体与管壁摩擦阻力显著降低。不论是油相减阻还是水相减阻,减阻剂分子结构均应具有如下特征:(l)有微观的纤维状结构(分子或胶束);(2)其纤维状结构具有柔韧性;③在连续相中溶解性良好。表面活性剂在水溶液中浓度达到临界浓度时,首先形成球状胶束,浓度进一步增加时球状胶束聚集成圆柱状胶束,通常表面活性剂浓度50oppm以上时才具有显著减阻能力,与高分子减阻剂在5~50ppm就具备显著减阻能力不同。由于表面活性剂减阻剂使用浓度较高,笔者认为在减阻剂配方设计中应考虑以下方面:(l)原料易得和价格低廉;(2)化学性质稳定,耐剪切,减阻性能稳定;③不腐蚀管道设备;(4)不影响换热器传热效率;(5)药剂低毒,安全环保;(6)兼有杀菌、阻垢和缓蚀功能,能替代常用水处理剂功能。根据以上原则和从分子结构推断,以氛化十二烷基二甲基节基胺(水处理剂1227)为代表的季胺盐工业循环水杀菌灭藻剂和椰油酸二乙醇酞胺(净洗剂6501)为代表的工业循环水缓蚀阻垢剂是多功能循环水管道减阻剂备选组分-9l[01.把抓化十二烷基二甲基节基胺和椰油酸二乙醇酞胺以特定比例复配,再根据需要复配其它循环水处理剂可得到经济型的多功能循环水管道减阻剂配方。例如,对于热水循环系统可以加入麟酸盐或钥酸盐以及消泡剂等进一步提高缓蚀阻垢性能;对于冷却水循环系统可以加入电解质或尿素等增戮剂进一步提高减阻性能。2减阻剂性能评价方法和评价装置笔者利用从事油品管道减阻剂研究开发的基础条件,将油品管道减阻剂性能评价方法移植到循环水管道减阻剂性能评价中。在减阻剂组分初步筛选中采用比较简便的旋转翁度计法。具体做法是在烧杯中配制0.1%的减阻剂水溶液,取适量减阻剂水溶液加入戮度测量杯中,在恒温下用NDJ一9型旋转默度计(上海精密仪器仪表有限公司),在转速75帅m下测定其戮度,根据样品猫度大小推测减阻性能,根据减阻理论溶液翁度较大者减阻率也较大。初步筛选出的减阻剂在安装了差压传感器和流量传感器的室内模拟环道减阻剂评价装置上进一步评价。评价装置的测试管为公称直径DN15的镀锌钢管,测试段长度Zooomm,,72·青海西宁中国精细化工协会第五届水处理化学品行业年会论文集雌而t如图1所示。接真空泵_压缩气空压力衰压力衷图l流t表装置采用压缩空气作流体动力,测定同一流动压力下减阻流体和非减阻流体的摩阻压降和流量。数据采集是依靠压力传感器和流量传感器将流量压力信号和流量信号转变为电流信号,处理后储存在电脑中,进一步计算减阻率。3结果讨论3.1猫度计初步筛选减阻剂3.1.1减阻剂组分对水溶液私度的影响将市售工业级化十二烷基二甲基节基胺和市售工业椰油酸二乙醇酞胺以及增猫剂按表1配方复配成40%多功能减阻剂。选取的增猫剂是电解质、尿素和聚丙烯酞胺的混合物。称取1.09减阻剂样品,溶于l000mL自来水配制成.04目1的减阻剂水溶液。在室温(25℃)下用NDJ.79型旋转戮度计在转速750rpm下测定其毅度,实验结果如表1。表I减阻剂组分对水溶液猫度的影晌配配方方lll22233344455566611122719990003888000l999255529996665019990000003888l999l333999增增猫剂lggg222222222222222222水水水9888(60006000600060006000猫猫度加ra’sss4449991444l222l222llll从表1戮度测定结果预计表面活性剂6501减阻效果将大于表面活性剂1227,综合经济因素优选配方5减阻剂溶液进一步评价。咤而t中国精细化工协会第五届水处理化学品行业年会论文集2009年7月3.1.2减阻剂浓度对水溶液柔占度的影响分别称取配方5减阻剂1.09、2.09、3.09、4.09和5.09溶于looomL自来水,在室温(25oC)下用NDJ一79型旋转勃度计在转速750rpm下测定其翁度,测定结果如表2。表2减阻剂浓度对水溶液猫度的影晌序序号号lll222333444555减减阻剂加入量德德lll222333444555减减阻剂浓度匆LLL0.4440.8881.2221.6662.000勤勤度加田a’ssslllll777233326662888从表2勃度测定实验结果可见,减阻剂l’.2叭以上时水溶液戮度变化减小,可见减阻剂浓度1.2醉时达到长圆柱形胶束形成浓度,综合成本因素初步选定减阻剂添加浓度为1.2叭。3.2减阻剂室内模拟环道评价3.2.1减阻率测定原理在流量一定的情况下,管道流体流动阻力的降低实际上是摩阻系数的降低,因此,减阻率可以表示为:D心二fo一f服fox100%(1)式中:DR%一减阻率;场一未加减阻剂流体流动摩阻系数;岛厂加减阻剂流体流动摩阻系数。根据达西公式:f=dZPxVLxAP(2)式中:p一流体密度,地加3;V一流速,耐S;L一管道长度,m;D一-管道内径,m;△P一摩阻压降,P几对于输送确定流体并且长度和直径一定的管道,同一流速下摩阻系数只与摩阻压降相关。因此,减阻率可以以管道两端摩阻压降的百分率来表示:__.,△P。一△naP`_J__`.,。U找为二—XIU吸肠、JZ△Po青海西宁中国精细化工协会第五届水处理化学品行业年会论文集嗬而t式中:,卜未加减阻剂时管道两端摩阻压降,Pa”。广加入减阻剂后管道两端摩阻压降,aP根据式(3),只要在同一管道上测出相同流量(流速)下同一流体在减阻流动和非减阻流动情况下的摩阻压降,就能计算出在该流量(流速)下的减阻率。3.2.1减阻剂浓度对减队率影响在减阻剂评价装置贮液罐中加入自来水10OL,加入按配方5的40%减阻剂1009,在室温(25℃)下,控制流量3OL/min(.255ha),测定其减阻率.依次补加减阻剂1009改变添加浓度,再测定其减阻率,实验结果如表3所示。表3减阻荆浓度对减阻率的影晌序序号号lll222333444555减减阻剂加入盘lggg100002oooo3oooo400005oooo减减阻剂浓度往八八0.4440.8881.2221.6662.000减减阻率从从15.66634.77752.33357.44460.555实验优选常温下该配方多功能减阻剂添加浓度为1.2叭,减阻率523%,最大减阻率6.05%,实验结果与戮度计法初步评价结果一致。3.2.2水溶液流浏乳对减阻率影响在评价装置中加入自来水100L,加入按配方5减阻剂3009,使减阻剂添加浓度为1.2叭,在室温(25℃)下控制压缩空气压力,测定不同流量下的减阻率,实验结果如表4所示。表4水溶液流速对减阻率的影晌序序号号111222333444555流流里八才m加加l0002000300040005000流流速加此此0.85551.70002.55553.4000.42555减减阻率从从8.99921.55552.33354.66648.666水溶液在低流速下减阻率并不高,只有当流速达到.255lnIs以上,流体处于湍流状态时,减阻效果才能充分体现,3.40lnIs时,减阻率最高达到54.600/。3.23剪切对减队率影响选择减阻剂添加浓度为1.2班,在室温(25℃)下控制流量30IJmin(.255而s),测定不同循环次数下的减阻率,实验结果如表5所示。表5剪切对减阻率的影晌序号循环次数减阻率从52.3l052.551.81oo52.1芍而t中国精细化工协会第五届水处理化学品行业年会论文集2009年7月从实验数据可见,经过100次循环后减阻率几乎不变,表面活性剂减阻剂抗剪切性能良好。4结论工业氛化十二烷基二甲基节基胺和市售工业椰油酸二乙醇酞胺以及增翁剂复配成40%多功能减阻剂,在减阻剂添加浓度1.2叭,水溶液流速.255mls时减阻率为52.3%。多功能减阻剂应用于工业生产装置和空调设备的循环水系统中,可使循环水泵的能耗降低,降低管网造价。在国家大力提倡节能减排的背景下,在循环水中系统中加入管道减阻剂是简便易行的节能方法,具有广阔前景广阔。目前循环水管道减阻研究人员主要来自建筑给排水和动力工程专业,有待化工专业