(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水系熱搬送媒体に界面活性剤として化１で表されるアミンオキシド化合物を０．００１〜５重量％の範囲で添加することを特徴とする、水系熱搬送媒体の配管内摩擦抵抗の低減方法。
【化１】
0004420995.tif 000010
式中ａ，ｂは２〜４であり、その２つ以上のミックスまたは各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。α……ωは０〜１，０００である。また、Ｒ1，Ｒ2，Ｒ4，Ｒ5は炭素原子数が１〜３６のアルキル及びアルケニル、または炭素原子が１〜３６のヒドロキシアルキル、またはＨＯ−(Ｃ2Ｈ4Ｏ)x−(ＣcＨ2cＯ)y−、又はＨＯ−(ＣdＨ2dＯ)z−、で表されるアルキルエーテルを意味する。これら２式において、ｃは３か４またはそのミックスを意味する。ｄは２〜４であり、その２つ以上のミックス、または各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。ｘ，ｙ，ｚは０〜１，０００である。Ｒ3は炭素原子数が１〜３６のアルキレン基、アルケニレン基、または炭素原子が１〜３６のヒドロキシアルキレン基を意味する。
【請求項２】
水系熱搬送媒体に界面活性剤として前記化１で表されるアミンオキシド化合物および化２で表されるアミンオキシド化合物を合計して０．００１〜５重量％の範囲で添加することを特徴とする、請求項１に記載の水系熱搬送媒体の配管内摩擦抵抗の低減方法。
【化２】
0004420995.tif 000011
式中ａ，ｂは２〜４であり、その２つ以上のミックスまたは各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。α……ωは０〜１，０００である。また、Ｒ1，Ｒ2は炭素原子数が１〜３６のアルキル及びアルケニル、または炭素原子が１〜３６のヒドロキシアルキル、またはＨＯ−(Ｃ2Ｈ4Ｏ)x−(ＣcＨ2cＯ)y−、又はＨＯ−(ＣdＨ2dＯ)z−、で表されるアルキルエーテルを意味する。これら２式において、ｃは３か４またはそのミックスを意味する。ｄは２〜４であり、その２つ以上のミックス、または各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。ｘ，ｙ，ｚは０〜１，０００である。
【請求項３】
さらに化３で表されるノニオン系界面活性剤を、前記アミンオキシド化合物と合計して０．００１〜５重量％の範囲で水系熱搬送媒体に添加することを特徴とする、請求項１又は２に記載の水系熱搬送媒体の配管内摩擦抵抗の低減方法。
【化３】
0004420995.tif 000012
式中ａ，ｂ，ｃは２〜４であり、その２つ以上のミックスまたは各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。α……ωは０〜１，０００である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電所、下水処理場、ゴミ処理場、工場等の排熱発生地域と都市間のエネルギーネットワークシステムにおける省エネルギー熱輸送の確立に資するものである。また、地域冷暖房設備における、水または氷水スラリーの高密度熱輸送及び石油精製工場、石油化学工場の冷却水循環システム、消火放出水等、水の大量移送システムにおいて、配管内の摩擦抵抗を低減し、搬送動力の低減、熱損失の低減、搬送水量の増加(搬送エネルギーの増加)、配管系の縮小等、省エネルギー搬送技術に貢献する高密度熱輸送用界面活性剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーの効率的な管内輸送手段として、乱流内にある温熱水の搬送において、ある種の鎖状高分子を添加すると配管内摩擦抵抗が著しく減少する現象(トムズ効果)が50年前に発見されている。トムズ効果は数ｐｐｍ〜数千ｐｐｍ程度の鎖状高分子を水に添加する事により配管内摩擦抵抗低減効果を示すことを意味し、管内輸送において摩擦損失の減少による流量増加やポンプ動力の減少が期待できる。このトムズ効果のメカニズムは、添加した鎖状高分子が糸巻き状(ランダムコイル状)となって流体中に混合し、そのランダムコイルが乱流渦の発生や発達を抑止することとされている。しかし、高分子はポンプの剪断力により壊され、配管内摩擦抵抗低減機能が失われるため、循環系配管には不向きである。
一方、約10年前にカチオン系界面活性剤であるセチルトリメチルアンモニウムブロマイド(CTAB)等の第4級アンモニウム塩はその添加量を増大すると棒状のミセル構造を形成し、鎖状高分子のランダムコイルと同様に配管内摩擦抵抗低減効果があり、ポンプの剪断力を受けてもその機能を回復することが発見され、その適用研究等が国内外で行なわれている。しかし、カチオン系界面活性剤は強い殺菌作用があることから、その廃棄に際して環境に対する負荷が大きく、又化合物中の塩素・臭素などのハロゲン元素は腐食性が強く、配管を通しての熱輸送用界面活性剤として使用するのには問題があり、その実用化の阻害因子となっている。又、これまでの比較的鎖長の短いアミンオキサイド化合物の水溶液から形成したミセルはサイズが小さく、適切な形状でないため配管内摩擦抵抗低減効果は弱く、又タンク内等での発泡により、配管内に気泡を生じることも影響を及ぼす可能性がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
鎖状高分子化合物のようにポンプの剪断力により壊され、配管内摩擦抵抗低減機能が失われることのない化合物であり、さらにその化合物は殺菌作用がなく、塩素・臭素などのハロゲン元素は含まれず、毒性および腐食性が弱く、廃棄に際して環境に対する負荷が少ない界面活性剤の開発が求められる。また、その水溶液から形成したミセルは適切な形状であることから、優れた配管内摩擦抵抗低減効果を示し、搬送動力の低下、熱損失の低減、搬送水量の増加、配管径の縮小等、省エネルギー搬送技術に貢献するものが求められる。ところが、従来の界面活性剤では、配管内の循環及びタンク内における発泡のため、これによる配管内摩擦抵抗低減効果の減少や熱損失が懸念される。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
本発明者らは研究の結果、化１及び化２のようなアミンオキシド化合物を水系熱搬送媒体に添加することにより配管内摩擦抵抗を低減することが可能であることを見出した。また、これらのアミンオキサイド化合物が水溶液中でミセルを形成したとき、熱輸送用界面活性剤として適切なミセルの硬さおよびサイズを形成し、配管内摩擦抵抗低減効果に特徴的な効果を発揮することを見出した。
さらに、化１及び化２自体低起泡性ではあるが、これらの化合物のうち、化３のようなノニオン系界面活性剤で０〜１００％好ましくは５〜４０％置き換えることで、化１及び化２の持つ、配管内摩擦抵抗低減効果を損なうことなく、配管内の循環及びタンク内における発泡を抑制することが可能になることも見出した。これらアミンオキシド化合物ならびにノニオン系界面活性剤は、ハロゲン元素を含まず、毒性および腐食性が弱く廃棄に際して環境に対する負荷が少ない点も特徴である。
【０００５】
【化１】
【０００６】
式中ａ，ｂは２〜４であり、その２つ以上のミックスまたは各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。α……ωは０〜１，０００である。
また、Ｒ1，Ｒ2，Ｒ4，Ｒ5は炭素原子数が１〜３６のアルキル及びアルケニル、または炭素原子が１〜３６のヒドロキシアルキル、またはＨＯ−(Ｃ2Ｈ4Ｏ)x−(ＣcＨ2cＯ)y−、又はＨＯ−(ＣdＨ2dＯ)z−、で表されるアルキルエーテルを意味する。これら２式において、ｃは３か４またはそのミックスを意味する。ｄは２〜４であり、その２つ以上のミックス、または各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。ｘ，ｙ，ｚは０〜１，０００である。
Ｒ3は炭素原子数が１〜３６のアルキル及びアルケニル、または炭素原子が１〜３６のヒドロキシアルキルを意味する。
【０００７】
【化２】
【０００８】
式中ａ，ｂは２〜４であり、その２つ以上のミックスまたは各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。α……ωは０〜１，０００である。
また、Ｒ1，Ｒ2は炭素原子数が１〜３６のアルキル及びアルケニル、または炭素原子が１〜３６のヒドロキシアルキル、またはＨＯ−(Ｃ2Ｈ4Ｏ)x−(ＣcＨ2cＯ)y−、又はＨＯ−(ＣdＨ2dＯ)z−、で表されるアルキルエーテルを意味する。これら２式において、ｃは３か４またはそのミックスを意味する。ｄは２〜４であり、その２つ以上のミックス、または各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。ｘ，ｙ，ｚは０〜１，０００である。
【０００９】
【化３】
【００１０】
式中ａ，ｂ，ｃは２〜４であり、その２つ以上のミックスまたは各々が２モル以上付加した生成物としてのブロックが２つ以上ランダムにつながっている。α……ωは０〜１，０００である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
地域冷暖房等の熱移動システムを想定した場合、化合物を熱媒体液に添加することにより、配管内の摩擦抵抗を低減させ、省エネルギーに貢献することができる。
水系熱搬送媒体の配管内摩擦抵抗を低減させるために、化１ または 化２に示されるようなアミンオキシド系化合物を０．００１〜５重量％、好ましくは０．０５〜１．０重量％の濃度で熱輸送媒体に添加する。さらに、これらアミンオキシド化合物のうち０〜１００％、好ましくは５〜４０％ を、化３で示されるノニオン系界面活性剤に置き換えて熱輸送媒体に０．００１〜５重量％、好ましくは０．０５〜１．０重量％の濃度で添加する。
添加量が０．００１重量％以下では効果がなく、また５重量％以上では分散させにくく配管内、ポンプ等に目詰まりを起こしやすくなり、費用の点からも好ましくない。
温度範囲は、冷房時の低温域から暖房時の１２０℃位、特に５〜８０℃で適用する。
【００１２】
実施例で試験用に用いたプロセスのフローを図１に示した。
化合物を添加した熱搬送媒体液は、Ａ地点を出た後、Ｂ地点で冷暖房に使用されて温度が変化し、再びＡ地点に戻ることを想定して試験を行なった。
温度調節装置▲１▼で一定温度にコントロールされた液体をポンプ▲２▼で流量計▲３▼を通して搬送し、Ａ点の圧力計▲４▼とＢ点の圧力計▲５▼の数値を記録する。試験部から戻った液体は膨張タンク▲６▼のついた配管内で再び温度コントロールされて循環する。
【００１３】
上記アミンオキシド化合物及びノニオン系界面活性剤の摩擦抵抗低減効果の評価試験は、アミンオキシド化合物及びノニオン系界面活性剤のそれぞれの水溶液について、直径Ｄ(ｍ)を有する配管を搬送する際の配管の長さＬ(ｍ)における圧力損失ΔＰをいろいろな流速υ(ｍ／ｓ)について測定することによって行う。これらの値から摩擦損失Ｆ及びレイノルズ数Ｒｅを計算する。
ΔＰ ＝ ρＦ (kgw／ｍ2)
Ｒｅ ＝ Ｄυρ／η
Ｆ ＝ ２ｆυ2Ｌ／ｇＤ (kgw・m／kg)
ｇ： 重力加速度 ＝ 9.8 (m／s2)
ρ： 流体の密度 (kg／ｍ3)
η： 動粘度 (kg／m・s)
υ： 平均流速 (m／s)
ｆ： 粗管の摩擦係数
【００１４】
また、これらの値を用いて薬剤の添加効果を次式から算出する。
ＤＲ(Drag Reduction)効果：配管内摩擦損失が水に対して低減した割合
【式１】
0004420995.tif 000002
【００１５】
【実施例】
次に本発明を実施例により説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り以下の実施例に限定されるものではない。
【００１６】
参考例１
次の方法により界面活性剤として (ポリオキシエチレン(以下ＥＯ))5・(ポリオキシプロピレン(以下ＰＯ))30モノエチルジヒドロキシエチルアミンオキシド水溶液の合成を行なう。(ＥＯ)5・(ＰＯ)30モノエチルジヒドロキシエチルアミン１７０ｇ、イオン交換水２６０ｇに対して３５％過酸化水素水(試薬一級)１０ｇを加え、７５〜８０℃で６〜８時間反応させた後、過剰の過酸化水素水を２５％水酸化ナトリウム水溶液０．５〜１ｇ加えて７５〜８０℃で２時間分解反応し、次に３５％塩酸(試薬一級)約０．５ｇで中和し、イオン交換水２０ｇを追加して有効成分３０％の(ＥＯ)5・(ＰＯ)30モノエチルジヒドロキシエチルアミンオキシド水溶液４３０ｇを得た。
【００１７】
次いで、図１に示した実験設備を用い、次の条件を設定して実験を行なった。
条件
0004420995.tif 000003
Ａ点からＢ点までの管長(Ｌ)            １０ｍ
管径(Ｄ)                            １００ｍｍ(＝０．１ｍ)
Ａ点からＢ点(往)の温度(Ｔ1)          ８０℃
Ａ点からＢ点(復)の温度(Ｔ2)          ６０℃
平均流速(υ)                          ２．０ｍ／ｓ
Ｒｅ：レイノルズ数，ΔＰ：圧力損失，Ｆ：摩擦損失(直円管内)
Ｖ：体積流量(ｍ3／ｓ)
使用活性剤
(ＥＯ)5・(ＰＯ)30モノエチルジヒドロキシエチルアミンオキシド
水溶液(有効成分３０％)
添加量 ０．０５％，０．５％
【００１８】
起泡性については２００ｍＬ有栓シリンダーに活性剤濃度０．０５％の水溶液を２００ｍＬ入れ、１５回激しく振とうした直後の泡高(ｍｍ)と１０分後の泡高(ｍｍ)を計測した。
【００１９】
参考例２
同様にして別の界面活性剤を合成し、試験を行なった。条件は参考例１と同じである。以下、実施例７まで同様である。使用活性剤
(ＥＯ)10・(ＰＯ)30モノエチルジヒドロキシエチルアミンオキシド水溶液(有効成分３０％)
添加量 ０．０５％，０．５％
【００２０】
実施例３ 条件は参考例１と同じ。
使用活性剤
(ＥＯ)5・(ＰＯ)30ビス(エチルジヒドロキシエチルアミンオキシド)水溶液(有効成分３０％)
添加量 ０．０５％，０．５％
【００２１】
実施例４ 条件は参考例１と同じ。
使用活性剤
(ＥＯ)10・(ＰＯ)30ビス(エチルジヒドロキシエチルアミンオキシド)水溶液(有効成分３０％)
添加量 ０．０５％，０．５％
【００２２】
参考例５ 条件は参考例１と同じ。
使用活性剤
(ＥＯ)5・(ＰＯ)30モノエチルジヒドロキシエチルアミンオキシド水溶液(有効成分３０％)：(ＥＯ)5・(ＰＯ)30グリコールエーテル ＝
７０：３０
添加量 ０．０５％，０．５％
【００２３】
実施例６ 条件は参考例１と同じ。
使用活性剤
(ＥＯ)5・(ＰＯ)30ビス(エチルジヒドロキシエチルアミンオキシド)水溶液(有効成分３０％)：(ＥＯ)5・(ＰＯ)30グリコールエーテル ＝
７０：３０
添加量 ０．０５％，０．５％
【００２４】
実施例７ 条件は参考例１と同じ。
使用活性剤
(ＥＯ)5・(ＰＯ)30ビス(エチルジヒドロキシエチルアミンオキシド)水溶液(有効成分３０％) ： (ＥＯ)5・(ＰＯ)30ビス(エチルジヒドロキシエチルアミンオキシド)水溶液(有効成分３０％) ： (ＥＯ)5・(ＰＯ)30グリコールエーテル ＝
３５：３５：３０
添加量 ０．０５％，０．５％
【００２５】
比較例1    条件は実施例１と同じ。
使用活性剤
(ＥＯ)5・(ＰＯ)1ヤシ油アルキルジメチルアミンオキシド水溶液
(有効成分３０％)
添加量  ０．０５％，０．５％
【００２６】
結果
【表１】
0004420995.tif 000004
【００２７】
【表２】
0004420995.tif 000005
【００２８】
【表３】
0004420995.tif 000006
【００２９】
【表４】
0004420995.tif 000007
【００３０】
【表５】
0004420995.tif 000008
【００３１】
【表６】
0004420995.tif 000009
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、発電所，下水処理場，ゴミ処理場，工場等の排熱発生地域と都市間のエネルギーネットワークシステムにおける省エネルギー熱輸送の確立に質するものである。
中でも、地域冷暖房設備における水又は氷スラリーの高密度熱輸送及び石油精製工場，石油化学工場の冷却水循環システム，消火放出水など、水の大量位相システムにおいて、配管内の摩擦抵抗を低減し、搬送動力の低減，熱損失の低減，搬送水量の増加，配管系の縮小等、省エネルギー搬送技術に貢献する高密度熱輸送用界面活性剤に関するものである。
本発明品は、従来技術の第四級アンモニウム塩及び特定のアミンオキシド化合物と比較して、より優れた配管内摩擦抵抗低減効果を示すことで、流量増加やポンプ動力を低減させることが出来ることを見出した。また、腐食性電解質を含有していないことから廃棄に際して環境負荷が少ないことを見出した。さらに、本発明品並びにこれらへ特定されたノニオン系界面活性剤を添加することで、低起泡性となり、更なる配管内摩擦抵抗低減効果を示すことが可能となった。
【００３３】
参考までに経済効果の試算をすると以下のようになる。
経済効果の試算
ポンプ効率 ＝ 90％，電力変換効率 ＝ 35％，稼働率 ＝ 30％
電力量料金 ＝ 15円／kWh，界面活性剤価格 ＝ 600円／kg
管長(Ｌ)：5 km，管径(Ｄ)：0.5 mとした場合
電気料金(千円／年)
水の場合            11,664              12,571
界面活性剤添加       4,666               4,400
界面活性剤の使用コスト(千円／kg・年)    1,178
上記より
年間 13,991千円のコストダウンが見込める。
【図面の簡単な説明】
【図１】
【符号の説明】
▲１▼ 温度調節装置
▲２▼ ポンプ
▲３▼ 流量計
▲４▼ 圧力計
▲５▼ 圧力計
▲６▼ 膨張タンク
【図１】
0004420995.tif 000013