Водные растворы для ускорения течения жидкого потока на основе смеси органических солей аммония

 

Использование: поверхностно-активные добавки как ускорители течения жидкостей, соли четвертичных аммониевых оснований. Сущность изобретения: водные растворы для ускорения течения жидкого потока содержит соль аммониевого основания ф-лы: [(R₁)(CH₃)N(CH₃)(R₂)]⁺A^- , где R₁ - алкил C₁₆- C₂₂ - R₂-CH₃ или -C₂H₄OH , анион A^- есть β -оксинафтоат, в смеси с водой и салицилатом натрия, взятым в количестве 30 - 40 мол.% от общего количества аниона в соли четвертичного аммония. Концентрация смеси аммониевой соли и салицилата натрия в воде 0,05 - 0,5 мас.% 10 табл., 2 ил.

Известно, что соли четвертичных аммониевых оснований, содержащие алкил с длинной цепью, могут использоваться в качестве ускорителей течения.

В известных публикациях отмечается также, что их эффективность в качестве ускорителей течения может быть повышена путем добавления к ним других электролитов, например простых неорганических солей (NaCl, CuCl₂, Na₂CO₃) или солей органических кислот, например бензоата или силицилата натрия. Предпочтительно в таких случаях использовать в качестве дополнительного электролита соль с таким же анионом, как и в самом соединении четвертичного аммониевого основания. Хотя при использовании таких смесей и усиливается их эффективность в качестве ускорителей течения, однако их действие, как впрочем и самих солей четвертичных аммониевых оснований, проявляется лишь в сравнительно узком температурном интервале.

Было найдено, что описанные смеси солей, содержащие как β-оксинафтоат, так и салицилат проявляют свое действие в качестве ускорителей течения в значительно более широком температурном интервале, чем известные смеси.

Предметом изобретения являются водные растворы для ускорения течения жидкого потока на основе смеси органических солей аммония, четвертичных аммониевых солей общей формулы 1 RR A^- где R₁, R₂ линейные заместители, А-карбоксил одноосновной ароматической кислоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что они содержат в качестве аммонийной соли соль общей формулы 1, где R¹-C₁₆-C₂₂ алкил, R₂-CH₃ или C₂H₄OH, анион А есть и дополнительно содержит воду и салицилат натрия, взятый в количестве 30-40 мол.% от общего количества аниона в соли четвертичного аммония, при концентрации смеси аммонийной соли и салицилата натрия в воде 0,05-0,5 мас.%.

Соли четвертичных аммониевых оснований и аминов, как видно из приведенных формул, содержат эквивалентные количества катионов и анионов. Возможно однако, чтобы один из обоих ионов был в избытке. Недостающее количество соответствующего противоиона компенсируется в этом случае противоионами другого вида, например ионами натрия или хлора.

Получение солей четвертичных аммониевых оснований осуществляется известными способами, путем алкилирования исходных третичных аминов, например галоидалкилами или диалкилсульфатом.

У полученных таким образом солей, содержащих в качестве аниона ион галогенида или метосульфата, эти ионы известными способами, путем ионного обмена, заменяются на ион формулы R например путем взаимодействия β-оксинафтойной кислоты с гидроокисью четвертичного аммониевого соединения. Эта гидроокись может быть затем снова получена из соответствующего галогенида аммония путем взаимодействия последнего с гидроокисью серебра. Предпочтительно нафтоаты получают путем двойного взаимодействия галогенидов тетралалкиламмония с гидрооксидом щелочного металла и нафтойной кислотой в двухфазной системе, состоящей из воды и несмешивающегося с водой растворителя, как это описано в патенте ФРГ А 35 16 843.

К водным растворам четвертичных аммониевых солей добавляют салицилат натрия, в количестве 50 мас.% (в расчете на общее количество иона формулы) R (в пересчете на свободную кислоту). Его можно добавлять к раствору формулы 1 в твердой форме или в виде раствора, чтобы в конечном счете эти водные растворы содержали 30-40 мас.% твердого вещества. Для использования в качестве ускорителей течения в водных средах с турбулентным режимом течения, например, в охлаждающих и нагревательных контурах, эти растворы разбавляют до концентрации твердого вещества 0,01-0,5 мас.%.

Такие смеси оказываются эффективными ускорителями течения в более широком температурном интервале по сравнению с отдельными компонентами, а именно по сравнению со всем температурным интервалом обоих компонентов. Далее следует отметить, что уменьшение трения, т. е. максимально достижимая скорость течения, прежде чем трение перестает уменьшаться, наиболее заметно в нижней половине указанного температурного интервала.

Получение октадецилдиметилоксиэтилаоний- β-оксинафтоата (EO-OBON) В лабораторный автоклав емкостью 1 л загружают 181,6 г (0,60 моля, щелочное число 185,4 мг КОН (г) октадецилдиметиламина (трет. N 99,4 экв.%), 114, 6г/0,60 моля, кислотное число 293,3 мг КОН/г β-оксинафтойной кислоты, 194,4 г (10,8 моля) деминерализованной воды и 60,4 г/10 м/м %) изопропанола. После двухкратной продувки автоклава азотом реакционную смесь нагревают до 75^оС. После сброса возникающего при этом избыточного давления при перемешивании (около 500 об/мин) через шлюзовой затвор непрерывно в течение двух часов добавляют 59,2 мл (1,20 моля) этиленоксида таким образом, чтобы температура содержимого реактора не поднималась выше 80^оС. В процессе добавления окиси этилена давление в автоклаве возрастает максимум до 1,6 бар.

После продолжения реакции в течение еще 8 ч давление сбрасывают и образующийся продукт отгоняют в ротационном выпарном аппарате (температура ванны 70^оС). В общей сложности отгоняют 39 г. В результате получают 591 г коричнево-желтого раствора (при длительном стоянии при комнатной температуре происходит выпадение осадка), содержащего 59% твердого вещества, 5,5% изопропанола, 4,3% этиленгликоля, 0,2% диэтиленгликоля и 30% воды. Содержание этиленоксида составляет 1,3 м. д. Степень кватирнирования, определенная титрованием по Эптону (титрование при pH 1-2 и pH≥10), равна 47,4%.

Для получения смеси EO-OBON с салицилатом натрия полученный после отгонки продукт (591 г) смешивают при 50^оС с 48 г (030 моля, 50 мол.% в расчете на исходную β-оксинафтойную кислоту) салицилата натрия и перемешивают в течение часа при этой температуре.

Измерительная аппаратура.

Для определения уменьшения силы трения используют замкнутую систему, в которой с помощью насоса создают циркуляцию испытуемого раствора. Длина участка для определения потери давления ΔP равна 1 м, диаметр трубки 6 мм, а отношение длины входного участка 1 к диаметру трубки d (1) d 280. Определение скорости течения V осуществляется с помощью индукционного расходомера. Вся измерительная аппаратура (весь объем раствора) можно термостатировать при температуре от 10 до 150^оС с точностью ±3^оС.

Перед проведением измерений растворы каждый раз пропускали в циркуляционном контуре аппаратуры с помощью насоса в течение не менее 2 ч при температуре измерений. Перед проведением измерений при температурах ниже 45^оС растворы термостатировали, осуществляя их циркуляцию, при соответствующей температуре в течение ночи или по возможности, в течение выходных.

После заполнения измерительной аппаратуры раствором последний обычно при циркуляции нагревали до температуры, как минимум, 120^оС и только после этого снова охлаждали до температуры, при которой проводили измерения.

Испытания указанных смесей относительно их эффективности в качестве ускорителей течения проводили обычным способом, определяя падение давления ΔP водного раствора соответствующего поверхностно-активного вещества на участке I при протекании его через трубку диаметром d при различных скоростях потока.

Из этих значений можно определить безразмерные величины: коэффициент трения λи число Рейнольдса Re λ= · Re= В этих формулах ρозначает плотность, а V кинематическую вязкость жидкости. Обычно для ρи V принимаются соответствующие значения для чистого растворителя, в данном случае воды. Полученные таким образом значения λи Re для изученных растворов поверхностно-активных соединений в виде зависимостей λот Re в обычных двойных логарифмических координатах в соответствии с уравнением 1/=2 log Re-0,8 сравнивались с соответствующими значениями для чистой воды. Эффект ускорения течения (SB) или уменьшения силы трения имеет место в том случае, если -λ_SB>0, а уменьшение силы трения в процентах рассчитывается по формуле α= % уменьшения трения ·100
Эффективность раствора поверхностно-активных веществ в качестве SB в дальнейшем характеризуется величиной Re_max, т. е. раствор поверхностно-активных веществ с Re_max=20000 является более эффективным В, чем раствор поверхностно-активных веществ с Re_max=10000. Соответствующее ему значение α равно α_max.

В табл. 1-10 нижеследующих примеров приведены измеренные значения скорости протекания V, Re_max и α_max при различных температурах.

П р и м е р 1. Октадецилдиметилоксиэтиламмоний-3-окси-2-нафтоат концентрация 1000 м. д. (0,1 мас.%).

Октадецилдиметоксиэтиламмоний-3- окси-2-нафтоат, (концентрация 1000 м. д.)+2 ммоля салицилата натрия.

В табл. 1 приведены значения для β-оксинафтоата четвертичного аммония без добавки салицилата, а в табл. 2 соответствующие значения для того же соединения, но с добавкой салицилата натрия. Эти значения представлены на фиг. 1 и 2 в виде графиков.

Сравнение нижних кривых обоих графиков, характеризующих скорость протекания, показывает, что благодаря добавке салицилата эффект снижения силы трения (скорости протекания) имеет место и при высоких температурах, и, кроме того, проявляется и в области низких температур. Этот эффект является совершенно неожиданным, так как в обоих случаях концентрация катиона соли четвертичного аммониевого основания является одинаковой. Эффект увеличения степени снижения силы трения (увеличения скорости протекания) при более низких температурах, таким образом, связан с присутствием в системе смеси различных катионов. С другой стороны, салицилат натрия сам по себе не является ускорителем течения.

Октадецил-диметилоксиэтил-аммоний-3-окси-2-нафтоат (концентрация 1000 м. д.) + 0,5 ммоля салицилата натрия.

Октадецил-диметилоксиэтил-аммоний-3-окси-2-нафтоат (концентрация 1000 м. д.) + 2 ммоля салицилата натрия.

Табл. 3 и 4 иллюстрируют влияние на описанный эффект различных концентрации салицилата натрия. Из приведенных в этих таблицах данных следует, что хотя слишком высокая концентрация салицилата натрия сильно увеличивает степень снижения силы трения при низких температурах, однако при высоких температурах этот эффект снижается. Для практического использования желательно однако возможно более одинаковое снижение силы трения во всем температурном интервале.

В примерах 2-4 на других солях четвертичных аммониевых оснований показано, что благодаря добавке салицилата натрия область, в которой имеет место эффект снижения силы трения, распространяется на более низкие температуры.

П р и м е р 2. Октадецил-триметиламмоний-3-окси-2-нафтоат (концентрация 500 м. д.).

Октадецил-триметиламмоний-3-окси-2- -нафтоат (концентрация 500 м. д. )+10^-3 мол/л. салицилата натрия.

П р и м е р 3. Гексадецил-триметиламмоний-3-окси-2-нафтоат (концентрация 500 м. д. , 0,05 мас.%).

Гексадецил-триметиламмоний-3-окси-2-нафтоат (концентрация 500 м. д.) +10^-3 мол/л салицилата натрия.

П р и м е р 4. Докозил-триметиламмоний-3-окси-2-нафтоат (концентрация 1000 м. д.) .

Докозил-триметиламмоний-3-окси-2- нафтоат (концентрация 1000 м. д.) +1,8 ммоля салицилата натрия.

Формула изобретения

ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОГО ПОТОКА НА ОСНОВЕ СМЕСИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЛЕЙ АММОНИЯ, включающие соли четвертичного аммониевого основания общей формулы I
RR A^-
где R₁ и R₂ - линейные заместители;
A^- - карбоксил одноосновной ароматической кислоты;
отличающийся тем, что, с целью повышения ускоряющего действия при снижении силы трения движущихся слоев жидкости, в качестве солей аммониевого основания смесь содержит соль общей формулы II,
где R₁ - C₁₆-C₂₂-алкил;
R₂-CH₃ или C₂H₄OH;
A^- есть

и при этом дополнительно включает воду и салицилат натрия, взятый в количестве 30 - 40 мол.% от общего количества аниона в соли четвертичного аммония, при концентрации смеси аммонийной соли и салицилата натрия в воде 0,05 - 0,5 мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7