DE19501145A1 - Use of alkyl polyglycosides as a friction reducer - Google Patents
Use of alkyl polyglycosides as a friction reducerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Alkylpolyglycosiden als Rei bungsminderer (Strömungsbeschleuniger oder Widerstandsverminderer) für turbulent strömende wässerige Systeme.The invention relates to the use of alkyl polyglycosides as Rei Exercise reducer (flow accelerator or drag reducer) for turbulent flowing aqueous systems.
Durch Verwendung reibungsmindernder Additive können der Druckverlust und damit die erforderliche Pumpenergie in Strömungskreisläufen gesenkt oder bei vorgegebenem Druckgefälle der durchgesetzte Volumenstrom erhöht wer den. Letzteres gilt auch für offene Strömungskanäle wie z. B. Abwasserka näle, in denen durch Einsatz solcher Additive der Volumenstrom z. B. zur Beseitigung von Engpässen bei starkem Regenfall erhöht werden kann. Ei nerseits kann es somit zur Einsparung von Pumpenergie kommen, anderer seits kann zur Beseitigung von Engpässen auf eine aufwendige Neuinvesti tion für größere Rohrsysteme verzichtet werden.By using friction reducing additives, the pressure loss and thus reducing the required pump energy in flow circuits or at a given pressure drop, the volume flow rate is increased the. The latter also applies to open flow channels such. B. sewage channels in which the volume flow z. B. for Eliminating bottlenecks during heavy rainfall can be increased. Egg on the one hand, it can save pump energy, others on the one hand can eliminate bottlenecks on an expensive new investment tion for larger pipe systems.
Bekannte Reibungsminderer sind wasserlösliche, langkettige bzw. hochmole kulare Polymere (DE 28 07 709 A1) oder kationische Tenside (EP 0 097 926 B2) oder nichtionische Tenside vom Typ der ethoxylierten Fettalkohole (US-PS 3 961 639).Known friction reducers are water-soluble, long-chain or high moles kular polymers (DE 28 07 709 A1) or cationic surfactants (EP 0 097 926 B2) or nonionic surfactants of the ethoxylated fatty alcohol type (U.S. Patent 3,961,639).
Polymere unterliegen aber einer durch mechanische und thermische Bean spruchung bedingten irreversiblen Degradation, d. h. Kettenabbau. Sie verlieren dadurch schnell ihre reibungsmindernde Wirkung und sind deshalb vor allem für den Einsatz in geschlossenen Systemen nicht geeignet.However, polymers are subject to a mechanical and thermal bean irreversible degradation caused by stress, d. H. Chain removal. she thereby quickly lose their friction-reducing effect and are therefore especially not suitable for use in closed systems.
Kationische Tenside, die eine Reibungsminderung bewirken, sind quarternä re Ammoniumverbindungen. Ihr Einsatz ist im Hinblick auf deren ökologi sche Eigenschaften (biologische Abbaubarkeit, Toxizität gegenüber Wasser organismen) umstritten und führte in Schweden sogar zu einem Verwendungs verbot [Tenside Surf. Det. 30 (1993) 3, 174].Cationic surfactants that reduce friction are quaternary re ammonium compounds. Their use is ecological properties (biodegradability, toxicity to water organisms) controversial and even led to use in Sweden prohibition [tenside surf. Det. 30 (1993) 3, 174].
Die klassischen anionischen Tenside (ethoxylierte Fettalkohole) zeigen nur bei relativ hohen Einsatzkonzentrationen von über 5 000 wppm (weight parts per million) bei gleichzeitig hohen Elektrolytkonzentrationen um 1 Gew.-% eine reibungsmindernde Wirkung (US-PS 3 961 639).The classic anionic surfactants (ethoxylated fatty alcohols) show only at relatively high usage concentrations of over 5,000 wppm (weight parts per million) with high electrolyte concentrations 1% by weight has a friction-reducing effect (US Pat. No. 3,961,639).
Es bestand also die Aufgabe, ökologisch unbedenkliche Additive zu finden, die bei niedrigen Konzentrationen einen reibungsmindernden Effekt in wässerigen Systemen bewirken.So the task was to find ecologically harmless additives which has a friction-reducing effect at low concentrations cause aqueous systems.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß Alkylpolyglycoside (APG) bei relativ niedrigen Konzentrationen eine Reibungsminderung in wässerigen Systemen bewirken. Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung von nichtionischen Tensiden als Reibungsminderer in wässerigen Systemen, da durch gekennzeichnet, daß Alkylpolyglycoside als nichtionische Tenside eingesetzt werden.Surprisingly, it was found that alkyl polyglycosides (APG) relatively low concentrations a friction reduction in aqueous Systems. The invention therefore relates to the use of nonionic surfactants as friction reducers in aqueous systems, because characterized in that alkyl polyglycosides as nonionic surfactants be used.
Alkylpolyglycoside sind Tenside, die ausschließlich aus nachwachsenden Rohstoffen (Stärke bzw. Zucker und pflanzliche Öle) hergestellt werden. Eine genauere Beschreibung zur Herstellung und Charakterisierung von Al kylpolyglycosiden findet man z. B. in DE-OS 19 43 689 oder US-PS 3 839 318.Alkyl polyglycosides are surfactants that are made exclusively from renewable Raw materials (starch or sugar and vegetable oils) are produced. A more detailed description of the production and characterization of Al kylpolyglycosiden can be found e.g. B. in DE-OS 19 43 689 or U.S. Patent 3,839,318.
Alkylpolyglycoside gelten als hervorragend biologisch abbaubar [Tenside Surf. Det. 30 (1993) 2, 116]. Ihre Toxizitätsdaten sind weitaus unbedenk licher als die vieler anderer Tenside. Da sie vollständig aus nachwach senden Rohstoffen hergestellt werden, zeichnen sie sich insgesamt durch ein hervorragendes Umweltverhalten aus.Alkyl polyglycosides are considered to be extremely biodegradable [surfactants Surf. Det. 30 (1993) 2, 116]. Your toxicity data are far from harmless licher than that of many other surfactants. Since they are fully re-grown send raw materials, they are characterized by overall excellent environmental behavior.
Die Alkylglycoside folgen der Formel IThe alkyl glycosides follow the formula I.
R-O-(G)D.P.-H (I),RO- (G) DP -H (I),
in der R für einen aliphatischen, linearen oder verzweigten Alkyl- und/oder Alkenylrest mit 8 bis 18 Kohlenstoffatomen, (G) für eine Glycose-Einheit mit 5 oder 6 Kohlenstoffatomen und D.P. für eine Zahl von 1 bis 5 steht.in the R for an aliphatic, linear or branched alkyl and / or Alkenyl radical with 8 to 18 carbon atoms, (G) for a glycose unit with 5 or 6 carbon atoms and D.P. represents a number from 1 to 5.
Die Glycose-Einheit kann sich von Aldosen bzw. Ketosen ableiten. Wegen der besseren Reaktionsfähigkeit werden vorzugsweise die reduzierend wirkenden Saccharide, die Aldosen, verwendet. Wegen ihrer leichten Ver fügbarkeit wird davon insbesondere wiederum die Glucose bevorzugt. The glycose unit can be derived from aldoses or ketoses. Because of the better reactivity is preferably the reducing acting saccharides, the aldoses, used. Because of their easy ver Of these, glucose is particularly preferred.
Als geeignet für eine Reibungsminderung kommen insbesondere Alkylpolygly coside mit hydrophoben Ketten mit 8 bis 16 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt 12 bis 14 Kohlenstoffatomen in frage. Der Glycosidierungsgrad D.P. (Degree of Polymerization) kann vorzugsweise 1.1 bis 3, besonders bevorzugt 1.1 bis 1.5, betragen.Particularly suitable for reducing friction are alkyl polygly coside with hydrophobic chains with 8 to 16 carbon atoms, especially preferably 12 to 14 carbon atoms in question. The degree of glycosidation D.P. (Degree of Polymerization) can preferably be 1.1 to 3, especially preferably 1.1 to 1.5.
Es wurde überraschend gefunden, daß bereits ab relativ geringen Konzen trationen von 300 wppm (weight parts per million), also 0.03 Gew.-% eine reibungsmindernde Wirkung in wässerigen Systemen auftritt. Somit liegt die für eine Reibungsminderung erforderliche Mindestkonzentration deut lich niedriger als bei den klassischen nichtionischen Tensiden, bei denen mindestens 0.5 Gew. -% mit gleichzeitig hohem Elektrolytgehalt erforder lich sind. Bei den Untersuchungen wurden in der Regel Konzentrationen von 500 bis 2 000 wppm (0,2 Gew.-%) eingestellt. Höhere Konzentrationen bis z. B. 10 000 wppm bewirken zwar auch eine Reibungsminderung, sind aber im allgemeinen aus ökonomischen Gründen nur in Sonderfällen vertretbar.It was surprisingly found that from relatively low concentrations trations of 300 wppm (weight parts per million), i.e. 0.03% by weight friction-reducing effect occurs in aqueous systems. Thus lies the minimum concentration required to reduce friction Lich lower than the classic nonionic surfactants, where at least 0.5% by weight with a high electrolyte content is required are. As a rule, concentrations of 500 to 2,000 wppm (0.2% by weight) are set. Higher concentrations up to e.g. B. 10,000 wppm also bring about a reduction in friction, but are in generally justifiable in special cases for economic reasons.
Es wurde weiterhin gefunden, daß im Gegensatz zu den ethoxylierten Fett alkoholen keine Zugabe an Elektrolyten in das Wasser erforderlich ist, um mit Alkylpolyglycosiden einen reibungsmindernden Effekt zu erhalten, bzw. daß die Wirkung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Elektrolytgehal ten auftritt. Eine Wirkung tritt auf sowohl in fast vollständig entsalz tem Wasser (elektrische Leitfähigkeit ca. 100 µS/cm) als auch in Salz wasser mit 3 Gew.-% Natriumchlorid.It has also been found that unlike the ethoxylated fat alcohols no addition of electrolytes to the water is required to to obtain a friction-reducing effect with alkyl polyglycosides, or that the effect at both low and high electrolyte levels ten occurs. An effect occurs both in almost completely desalted water (electrical conductivity approx. 100 µS / cm) as well as in salt water with 3 wt .-% sodium chloride.
Die Temperatur der wässerigen Systeme kann 5 bis 60°C betragen. Vorzugs weise sollte die Temperatur in einem Bereich von 10 bis 40°C liegen. Der pH-Wert der Lösung kann 3 bis 13, vorzugsweise 4 bis 10, besonders bevor zugt 5 bis 8 betragen.The temperature of the aqueous systems can be 5 to 60 ° C. Preferential the temperature should be in the range of 10 to 40 ° C. Of the pH of the solution can be 3 to 13, preferably 4 to 10, especially before trains 5 to 8.
Abb. 1 zeigt Widerstandscharakteristiken von Wasser (allgemein von Newtonschen Flüssigkeiten) und von Wasser mit 500 und 2 000 wppm APG- 1.4/12. Die erste Zahl gibt den (mittleren) Glycosidierungsgrad, die zweite Zahl die (mittlere) Alkylkettenlänge an. Die Messungen wurden in einer Rohrapparatur (Innendurchmesser 8 Millimeter, Rohrlänge 2 Meter) bei 30°C durchgeführt. Es werden Widerstandsminderungen von bis zu 70% erreicht, d. h. der Druckverlust beträgt nur noch 30% des Wertes für die additivfreie Wasserströmung. Fig. 1 shows resistance characteristics of water (generally Newtonian liquids) and water with 500 and 2,000 wppm APG-1.4 / 12. The first number indicates the (average) degree of glycosidation, the second number the (average) alkyl chain length. The measurements were carried out in a pipe apparatus (inner diameter 8 millimeters, pipe length 2 meters) at 30 ° C. Resistance reductions of up to 70% are achieved, ie the pressure loss is only 30% of the value for the additive-free water flow.
Abb. 2 zeigt Widerstandscharakteristiken für eine Konzentration von 1 000 wppm bei verschiedenen Temperaturen. Fig. 2 shows resistance characteristics for a concentration of 1000 wppm at different temperatures.
Die in den Abb. 1 und 2 angedeuteten Wirkungsverluste bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten und/oder hohen Temperaturen sind reversibel. Bei einer entsprechend belasteten Lösung setzt nach Rücknahme der Be lastung, d. h. Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder Er niedrigung der Temperatur die reibungsmindernde Wirkung wieder ein, wie es auch für die kationischen reibungsmindernden Tenside gefunden wurde (EP 0 097 926 B2).The loss of effectiveness indicated in Figs. 1 and 2 at high flow velocities and / or high temperatures are reversible. In the case of an appropriately loaded solution, after reducing the load, ie reducing the flow rate and / or lowering the temperature, the friction-reducing effect resumes, as was also found for the cationic friction-reducing surfactants (EP 0 097 926 B2).
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