一种闭式循环水系统减阻剂的制作方法

本发明属于精细化学品领域，特别是一种闭式循环水系统减阻剂，是一种能减小循环水系统管道沿程阻力的化学添加剂。

背景技术：

建筑物空调、小区集中供热管道和工业生产装置的循环水系统都有大功率水泵和长距离管道，其中循环水泵的能耗达30％，节能减排的任务十分繁重。近年来国际环保节能机构启动了减阻节能专项研究项目，在循环水中加入减阻剂减小管道摩擦阻力降低电耗成为一个简便易行的节能方法。

减阻技术是向管道中添加少量化学添加剂，通过改变或者抑制流体的湍流，显著降低流体的摩擦力，从而达到减阻和节能的效果。早期的循环水管道减阻剂主要为聚环氧乙烷和聚丙烯酰胺等高分子聚合物，研究发现管道内湍流流动阻力最高可以降低80％。但是水溶性高分子在循环系统中存在易被离心泵机械降解的问题(高分子长链断裂)，最终失去减阻效果；但是近年来发现能形成长圆柱形胶束的表面活性剂具有较好的减阻功能，其被剪切力破坏后会迅速恢复减阻功效，克服了高分子聚合物不稳定、易降解、不可控等先天性缺点，可以在循环水系统中长期使用，荷兰阿克苏-诺贝尔在专利US5902784、US0069342和CN1245468C、CN1177974A中公开了两性离子表面活性剂与阴离子表面活性剂组成的一系列减阻配方，阴离子表面活性剂作减阻剂使用时，易与水中的钙、镁离子形成沉淀而影响减阻效果。日本东邦化学公司在专利JP2000313872、JP2004323813和JP2006199800中公开了叔胺氧化物为主要成分的一系列减阻剂配方，但是存在非离子表面活性剂溶解度较低，其减阻性能的适用温度范围窄的缺陷。美国陶氏化学公司在专利US4534875中公开一种十六烷基三甲基氯化铵和水杨酸钠为主要成分的粘弹性表面活性剂减阻剂，天津职业大学在CN101538090A和CN102151514A中公开了一种十二烷基二甲基苄基氯化铵和羟基亚乙基二膦酸钠组成的循环水管道减阻剂，上述减阻剂的结晶温度较高，在低温(2～12℃)环境中易析出表面活性剂固体，由于管道内湍流大幅度的抑制，减阻剂的传热性能也极大地降低，上海交通大学发现减阻剂降低管式换热器传热性能的百分比超过了管道的减阻率。此外，哈尔滨工业大学以十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠为减阻体系，在降低管道阻力方面做了大量基础性研究，并将较成熟的技术应用于青岛某小区集中供暖的采暖水循环系统，但发现减阻剂对管道和设备腐蚀严重。

由于现有的减阻剂存在结晶温度高，在较低温度下易析出等问题，且普遍易腐蚀管道设备和降低换热器传热性能，缩短了管道设备使用寿命和降低了热输送能力。为了充分利用表面活性剂胶束的自组装特性，扩大减阻剂的应用领域，亟需开发既降低管道沿程阻力且对换热器传热无影响的缓蚀型减阻剂。

技术实现要素：

针对上述提到的减阻剂不足，本发明提供了一种闭式循环水系统缓蚀型减阻剂，对管式 换热器的传热性能无影响，该减阻剂尤其适用于中央空调冷冻水和集中供暖的采暖水，对管道和设备的腐蚀性小，与变频器结合使用可显著降低循环泵的能耗。

本发明的闭式循环水系统减阻剂由下述物质组成：阳离子表面活性剂、补偿离子、缓蚀剂和其它工业循环水处理剂，其中阳离子表面活性剂、补偿离子、缓蚀剂和工业循环水处理剂重量比为1.0:(0.1～1.0):(0.1～1.0):(1.0～2.5)；

进一步的，所述的阳离子表面活性剂，其分子结构通式如下：

式(1)中R₁为10～24个碳原子的饱和或不饱和烷基，R₂、R₃和R₄为1～5个碳原子数的烷基和/或含氧烷基，式(1)中R₂、R₃和R₄可以完全相同或完全不同；X为用于抗衡铵根离子的阴离子；季铵盐型阳离子表面活性剂对水质要求不高，其中R₁中碳原子数为14～18在常温下具有较强的减阻效果。

更进一步的，所述的X为卤离子、氢氧根离子、硫酸根离子无机离子或者苯基磺酸根、甲基磺酸根等有机离子，可以是一种离子，也可以是两种以上的混合离子，尤以卤离子为佳。

更进一步的，所述的卤离子为氯离子或溴离子；

更进一步的，所述的含氧烷基的分子结构具有如下通式：

式(2)中Y为氢或甲基，m的数值介于1～5，氮原子连接含氧烷基，含氧烷基中的羟基通过氢键与水结合，增大了季铵盐型表面活性剂在水中的溶解度，例如相同碳链的烷基三羟乙基氯化铵比美国专利中烷基三甲基氯化铵的结晶温度低20℃，在冰点以上都不会析出固体物质。

因此，所述的所述阳离子表面活性剂可以是十二烷基(羟乙基)二甲基氯化铵，十四烷基(羟乙基)二甲基氯化铵，十六烷基(羟乙基)二甲基氯化铵，十八烷基(羟乙基)二甲基氯化铵，9-十八烯基(羟乙基)二甲基氯化铵，二十烷基(羟乙基)二甲基氯化铵，十二烷基(二羟乙基)甲基氯化铵，十四烷基(二羟乙基)甲基氯化铵，十六烷基(二羟乙基)甲基氯化铵，十八烷基(二羟乙基)甲基氯化铵，9-十八烯基(二羟乙基)甲基氯化铵，二十烷基(二羟乙基)甲基氯化铵，十二烷基三羟乙基氯化铵，十四烷基三羟乙基氯化铵，十六烷基三羟乙基氯化铵，十八烷基三羟乙基氯化铵，9-十八烯基三羟乙基氯化铵，二十烷基三羟乙基氯化铵等一种或者一种以上的混合物；

进一步的，所述的补偿离子为苯环或萘环上具有一个或一个以上的羧基或磺酸基的水溶性芳香族盐，例如水杨酸钠、间氯苯甲酸钠、2-羟基-3-萘甲酸钠、2-羟基-3-萘磺酸钠等水解得到阴离子，所述的补偿离子可以为上述单一的化合物或者两者以上的混合物。

进一步的，所述的缓蚀剂用于延缓水中物质对碳钢、不锈钢及铜合金的腐蚀速率的化学物质，例如钼酸锂、钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵、亚硝酸锂、亚硝酸钠、亚硝酸钾、苯并三唑、甲苯基三唑、萘并三唑、5-氯-苯并三唑、1-(2,3-二羟丙基)苯并三唑等；缓蚀剂可以为上述单一的化合物或者两者以上的混合物。

进一步的，所述的工业循环水处理剂是有机硅类消泡剂或C2～C4短链醇与水混合液等。

所述的减阻剂适用的温度范围为2～65℃，本发明中减阻剂的结晶温度低于循环水体系所要求的最低温度2℃。温度范围为2～65℃时不影响管式换热器的传热性能，本发明的减阻剂对管壳式换热器、冷凝器、蒸发器和风机盘管等换热设备的传热性能无影响。

进一步的，所述的减阻剂的使用方法为：将该减阻剂以保有水量的0.1％～1.0％一次性加入循环水系统。

本发明的有益效果在于：

1、与国内外成熟的十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠体系减阻剂相比，达到相同减阻效果时本发明的减阻剂用量仅为前者的1/4～1/3。

2、本发明的减阻体系可与缓蚀剂复配，对提高流体的减阻性能有一定的促进作用，同时延缓了碳钢、不锈钢、铜及铜合金等金属材质的腐蚀速率。

3、减阻剂配方中表面活性剂结晶温度低，适用温度范围广，尤其适用于中央空调冷冻水和集中供暖的采暖水；

4、循环水系统中减阻剂的添加量少，经济成本低；

5、兼具缓蚀与减阻功能，可替代现有的单一功能水处理剂；

6、对换热器传热性能无影响，可以实现高效热能输送；

7、减阻节能效果明显，减少温室气体二氧化碳的排放，使人们在较低的经济成本和环境污染下享受中央空调和集中供暖带来的生活便利。

附图说明

图1管道流速对减阻性能的影响

图2换热管流速对传热性能的影响

具体实施方式

实施例1

在保有水量为2.5m³，管道直径DN150，试验管长72米的闭式循环装置上进行减阻剂的减阻性能评价。减阻剂配方中十二烷基三羟乙基氯化铵：水杨酸钠：亚硝酸钠：乙醇与水混合液(50/50)的重量比为1.0:1.0:1.0:2.5，减阻剂的添加量为保有水量的0.2％，在室温(25℃)时管道流速对减阻性能的影响如图1所示。在管道流速介于1～4m/s范围内，减阻率均大于60％，添加减阻剂后循环流量增加了20％，通过变频器将减阻溶液的流量恢复至清水溶液的流量值，循环水泵的功率降低了32％。

式中，和C_f分别为相同流速时水溶液和减阻溶液的管道范宁摩擦系数。

实施例2

在实施例1的减阻实验装置中，减阻剂配方中十八烷基(二羟乙基)甲基氯化铵：2-羟基 -3-萘磺酸钠：钼酸钠：有机硅消泡剂SXP-107(活性成分：聚硅氧烷、聚醚共聚物、高效分散剂)与水混合液(重量比1/100)的重量比为1.0:0.1:0.5:1.8，减阻剂的添加量为保有水量的0.9％。在管道流速介于1～4m/s范围内，减阻率约为70％，添加减阻剂后循环流量增加了23％，通过变频器将减阻溶液的流量恢复至清水溶液的流量值，循环水泵的功率降低了36％。

实施例3

在实施例1的减阻实验装置中，减阻剂配方中十四烷基(二羟乙基)甲基氯化铵：间氯苯甲酸钠：苯并三唑：异丙醇与水混合液(重量比30/70)的重量比为1.0:0.5:0.1:1.0，减阻剂的添加量为保有水量的0.5％。在管道流速介于1～4m/s范围内，减阻率约为55％，添加减阻剂后循环流量增加了18％，通过变频器将减阻溶液的流量恢复至清水溶液的流量值，循环水泵的功率降低了28％。

实施例4

在实施例1的减阻实验装置中，减阻剂配方中十二烷基(羟乙基)甲基氯化铵与十二烷基(二羟乙基)甲基氯化铵混合物(重量比50/50)：间氯苯甲酸钠：钼酸钾：丙醇与水混合液(重量比30/70)的重量比为1.0:0.7:1.0:2.0，减阻剂的添加量为保有水量的0.3％。在管道流速介于1～4m/s范围内，减阻率约为50％，添加减阻剂后循环流量增加了14％，通过变频器将减阻溶液的流量恢复至清水溶液的流量值，循环水泵的功率降低了20％。

实施例5

在实施例1的减阻实验装置中，减阻剂配方中十六烷基(羟乙基)二甲基氯化铵：水杨酸钠与间苯甲酸钠混合物(重量比50/50)：钼酸钠与苯并三唑混合物(重量比50/1)：丁醇与水混合液(重量比30/70)的重量比为1.0:0.4:0.8:2.0，减阻剂的添加量为保有水量的0.4％。在管道流速介于1～4m/s范围内，减阻率约为60％，添加减阻剂后循环流量增加了20％，通过变频器将减阻溶液的流量恢复至清水溶液的流量值，循环水泵的功率降低了30％。

实施例4

在保有水量为0.1m³，单壳程、双管程换热器(换热管径DN16，换热管长4米)的闭式循环装置上进行减阻剂的传热性能评价。减阻剂(配方同实施例1)的添加量为保有水量的0.2％，在10℃时管道流速对传热性能的影响如图2所示。测试结果表明减阻剂对换热器的传热性能无影响。

传热降低率(％)＝(1-K/K₀)×100％

式中，K₀和K分别为相同流速时水溶液和减阻溶液的总传热系数。

实施例5

根据《JB/T 7901-1999金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，20#碳钢、304不锈钢、316L不锈钢、紫铜和黄铜5种标准试片置于烧杯中，减阻剂(配方同实施例1)的添加量为保有水量的0.2％，置于5～10℃密闭环境中，五种材质的腐蚀速率如表1所示。

表1减阻剂腐蚀实验结果

虽然本发明已将较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的适用范围，任何熟悉此技术的科研或工作人员，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可做各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权力要求保护范围所界定的为准。