丙烯酸_2_甲基_2_丙烯酰胺基丙基磺酸共聚物的合成及性能的研究

收稿日期:1995-09-16
XG911水质稳定剂动态模拟试验研究(Ⅱ
)新疆工学院化工系(新疆乌鲁木齐,830008)
马风云
伊米提·阿里
马志
杨如陵
摘要叙述了XG 911水稳剂动态模拟试验研究结果,探讨了阻垢机理。

关键词
水质稳定剂
动态模拟
极限污垢热阻
在文献〔6〕中已介绍了XG911水稳剂初步试验
研究,结果表明该药剂在不同水质条件下,浓度在8×10-6～20×10-6,静态阻垢率大于90%,极限碳酸盐碱度达11meq/L 。

测算循环冷却水加入水稳剂后传热过程的极限污垢热阻,是研究水稳技术的重要手段和评价水稳剂性能的一项重要指标,虽然国内外对此做了大量的工作,但仍然不能从理论上推算,必须通过动态模拟传热试验直接测算。

1动态模拟传热试验简介1.1试验条件
换热设备为套管换热器,内管是Φ25×2.5的黄铜管,加热蒸汽温度100～114℃,冷却水流量1000L/h ,进口水温25～29℃,出口水温29～36℃,p H =8.3～8.8,浓缩倍率3,自然碱性运行。

1.2试验用循环冷却水水质分析
试验用循环冷却水:总硬度6.95mmol/L ,钙硬5.11mmol/L ,碱度2.4mmol/L ,Cl -17717mg/L ,SO 42-249.3mg/L 。

1.3测试方法
试验流程完全模拟化工、热电等生产过程的循
环冷却水系统。

来自锅炉的饱和蒸汽走换热器壳程被冷却;循环冷却水由冷水泵打入换热器走管程,用转子流量计控制流量,在换热器内被饱和蒸汽加热后流出,通过喷头自然冷却落入冷水池,如此循环。

当达到所控制的浓缩倍率后,打开排污阀和补水阀,开始补水和排污。

转入正常运行后,每隔四小时记录一次冷却水的流量V 、饱和蒸汽温度T 、冷却水进出口温度t 1和t 2,连续运行15天。

2瞬时污垢热阻的计算2.1数学模型
根据传热速率方程和牛顿冷却定律及总热阻定义式,若控制冷却水流量V 及饱和蒸汽温度T 不变,可得:
R θ=1/K θ-1/K 0
(1)
或中:
1/K θ=A /MsCp ×
ΔT m /(t 1-t 2)θ(1a )1/K 0=A /MsCp ×
ΔT m /(t 1-t 2)0(1b )
其中,A -换热器的传热面积,m 2;
Ms -冷却水的质量流量,kg/s ;Cp -冷却水的恒压比热,kJ /kg ·℃;ΔT m -对数平均传热温差,℃;
K -换热器的总传热系数,W/m 2
·℃;R θ-瞬时污垢热阻,m 2
·s ·℃/kJ ;
θ-表示某一时间;0-表示开始时间。

2.2试验数据整理结果
根据传热速率方程和牛顿冷却定律,计算出每4小时的K 值,再用算数平均值求出每20小时下的K θ。

根据(1)式,计算出每20小时的R θ值。

图1R θ～h 曲线
3极限污垢热阻的测算
因为瞬时污垢热阻,不能直接用于换热器设计及对药剂的评价,必须根据R θ计算出极限污垢热阻R 3。

3.1成垢数学模型的选择
如图2所示,污垢增长与时间的关系有A 、B 两种情况。

可见在B 种情况时,结垢过程可大致分为三个阶段:诱导期、中期、后期。

诱导期污垢沉积很慢,污垢热阻增加的速率很小;到了中期,污垢沉积速率明显加快,是污垢热阻迅速增加的阶段;在后
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52—工业水处理1996,16(4) XG911水质稳定剂动态模拟试验研究(Ⅱ
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图2有诱导期的污垢增长～时间曲线期,由于污垢的沉积速度与污垢的脱落速度相当,因而污垢热阻随时间的关系渐近水平线。

对照图1与图2,显然试验结果与B 吻合,属于有明显诱导期的结垢过程。

在这种情况下,据有关资料介绍,测算极限污垢热阻应以成垢中期为准,其数学模型经修正为:
R =R 3(1-e -B h
)(2)式中:R =R θ-R 0,修正后h 时刻的污垢热阻;
R 3-接近平衡时刻的污垢热阻,即极限污垢
热阻;
h -(h θ-h 0)修正后的时间;R o -h 0时刻的污垢热阻;
h 0-修正后的起始时间,即成垢中期的起始
时间;
B -模型参数,待测算。

3.2
R 3的测算
将(2)式对h 求导取对数,用斜率截距法得:
ln (d R/d h )=ln (B R 3)-B h
(3)由图1取h 0=40h ,Ro =0.055m 2·s ·℃/kJ ,成垢中期为40～140小时,用增量代替微分,得图3。

图3成垢中期ln (ΔR/Δh )～h 曲线由图3得直线的斜率为:B =0.015
R 3=0.067m 2·s ·℃/kcal
=7.78×10-5m 2·s ·℃/kJ 3.3测算结果讨论
同类药剂试验结果对比及评价指标见表1。

可见,XG911的极限污垢热阻达到中试指标“很好”级。

聚丙烯酸类配方和磷系配方的极限污垢热阻达到“好”级。

由此证明,XG911的阻垢性能不仅优于磷系配方,且优于一些高聚有机化合物。

表1同类药剂试验结果对比及评价指标
项目
配方/10-6
时间/h
浓缩倍率
极限污垢热阻/m 2·h ·℃·kJ -1
中试指标评价级别
1空白
18237.48×10-42三聚:10EDTMPS :4聚丙烯酸:22613 2.36×10-4<3.8×10-4好3三聚:4EDTMPS :5聚丙:6
1983 1.66×10-4<3.8×10-4好4聚丙:12水玻璃:70
4803 3.185×10-4>3.0×10-4允许5
XG 911-I
280
3
0.778×10-4
<1.5×10-4
很好
4阻垢机理探讨4.1药剂成份
XG911水稳剂是从天然植物中经过特殊工艺
提取的一种阴离子表面活性剂,其主要成分是酚羟
基、羟基、醇羟基、磺酸基、氨基酸及多糖等亲水性基团,是一种黑色粉末或液体,p H 在7.5～8.0,无毒、无腐蚀、不燃、不爆、稍有异味。

分子结构大致如下:
　○
R R ～R R ’
○
疏水基碳氢链的聚集亲水基 4.2晶形畸变
在试验中发现,加入XG911后,水中析出的沉淀物呈黑色松散絮状物,不贴壁,呈水渣样。

而空白水样中的沉淀物呈细小坚硬状颗粒。

未加药剂的CaCO 3、CaSO 4分别呈规则六方晶体和针状晶体,晶莹透亮,棱角分明;加有药剂的CaCO 3、CaSO 4晶体呈雪花状,中间有晶核。

据分
析,这可能是因为在碱性水溶液中,类似于CaCO 3、CaSO 4一类的无机盐离子晶体,属于有强烈带电吸
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2—试验研究 工业水处理1996,16(4)
附的吸附剂,其表面带负电荷。

估计“雪花状”晶形
是由于静电引力的作用,疏水基一端因带正电荷而被吸引于CaCO 3晶核表面,亲水基一端与水中的钙离子螯合,使晶核周围形成雪花瓣。

由于碳酸钙晶体界面上吸附了大量的活性分子,从而提高了所形成的胶体颗粒在水中的分散性,使晶体之间不易互相“搭桥”、长大、集壁。

药剂吸附于晶核表面,覆盖了晶核上的活性生长点,这样就扰乱了晶核生长的动力学规律,延长了结晶诱导期,使晶核不能按次序排列,晶型发生严重畸变。

XG911药剂不仅吸附于碳酸钙晶体上,而且还
与水中的Ca 2+形成稳定的螯合物,从而增强Ca 2+
在水中的稳定性,提高了碳酸钙在水中的溶度积。

在试验中还发现,XG911可在金属壁面逐渐吸附形成一层几个μm 的浅棕色吸附膜。

这是因为,当金属表面上的氧化物与水形成氢氧化铁,以胶体形态附着在金属表面时,加入XG911,药剂中的大阴离子就与氢氧化铁及壁面上的Fe 2+发生络合反应,吸附成膜。

由于膜表面带有大量的Fe 2+,造成过度充电,一则改变了胶粒表面原来的电荷状况,使
胶粒间相互排斥;二则改变了胶粒与金属壁面间的作用力,避免胶粒经碰撞长大沉积与壁面紧密相接;三则使水中的阳荷之间发生静电排斥,使水渣不能粘壁,有效地防止二次水垢的形成;四则防止水中的溶解氧对金属铁的氧化作用,避免金属的氧腐蚀。

4.3除垢性能
在扩大试验中,发现XG911药剂对已形成的水垢,具有一定的渗透性,能不断络合、螯合已形成水垢的钙、镁离子,减弱其晶间应力,破坏水垢组织,使已形成的水垢松软、剥离,在水流的冲刷下,逐渐自行脱落,在20～30天内可除去3mm 以下的碳酸盐垢、硫酸盐垢,这是一般阻垢剂所无法比拟的。

参考文献
1龙荷云.循环冷却水处理.江苏科学技术出版社,19842徐寿昌.工业冷却水处理技术.化学工业出版社,19843陈雪明.工业水处理,1991,11(2):39-404龙荷云等.工业水处理,1985,5(5):22-265中国石化总化司.冷却水分析和试验方法,1990,1
6马风云等.XG 911广谱型水质稳定剂的初步研究(I ).新疆工学院
学报,1995,15(1)
(上接第32页)
50mL 比色管中,用高纯水稀释至50mL ,按3.2中
表3水样测试结果
水样
测定结果/μg ·L -1
标准偏差
相对标准偏差/%
1#40.1　40.5　39.90.3050.762#43.1　42.9　43.40.2520.583
#
86.4　86.7　86.5
0.152
0.18
图1标准曲线
操作步骤测定吸光度,并在标准曲线上找出对应浓
度,计算回收率,结果见表4。

由表4中的数据可见,回收率在99.7%～100.3%。

表4回收率测定结果
乙醛肟加入量/μg
1.0 3.0 5.0回收量/μg
0.99
0.971.03
2.962.99
3.05 5.01
4.97
5.07平均回收率/%99.7
100
100.3
4结论
从上述实验优化出的测定方法,其测试的灵敏
度、准确度及重现性等方面均优于以往方法,可作为现场检测方法。

参考文献
1武汉大学主编.分析化学.高等教育出版社,1985
2水利电力部主编.火力发电厂水、汽试验方法.水利电力出版社,1984
·会讯·
　中国化工学会工业水处理专业委员会举办的“’96工业水处理技术研讨会”定于96年9月5日～9日在湖南省张家界召开。

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