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KR970006461B1 - 냉각수 시스템에서 표지 중합체의 모니터 및 용량 제어 - Google Patents

냉각수 시스템에서 표지 중합체의 모니터 및 용량 제어 Download PDF

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KR970006461B1
KR970006461B1 KR1019910020655A KR910020655A KR970006461B1 KR 970006461 B1 KR970006461 B1 KR 970006461B1 KR 1019910020655 A KR1019910020655 A KR 1019910020655A KR 910020655 A KR910020655 A KR 910020655A KR 970006461 B1 KR970006461 B1 KR 970006461B1
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이. 후츠 존
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날코 케미칼 캄파니
피터 다브링하우슨
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Abstract

내용없음.

Description

냉각수 시스템에서 표지 중합체의 모니터 및 용량 제어
제1도는 냉각탑 및 관련 장치를 도시한 것이다.
제2도는 방사율의 전압 아날로그를 생성하고 사용하는 방사율 장치 및 관련 장치를 도시한 것이다.
제3도는 방사율 및 이의 아날로그(VDC)에 대한 ppm을 도시한 그래프이다.
제4도, 제5도 및 제6도는 형광 표지 중합체를 모니터 하는데 소요된 복제 프린트 출력이다.
제7도는 불활성 형광 추적자(2-NSA) 및 형광 표지 중합체에 의해 측정된 상응하는 ppm 처리제 용량(2×중배)을 비교하는 복제 프린트 출력이다(스케일링/부식 공정으로부터 부분적인 중합체 고갈을 입증한다).
본 발명은 냉각수 시스템, 특히 본 발명자의 선행특허인 미합중국 특허 제4,783,314호에 기술된 형태의 수냉각탑에 첨가된 처리제의 농도를 연속적으로 모니터하는 것에 관한 것이다. 특정한 범위내에서 중합체의 용량을 제어함으로써 수처리 프로그램의 스케일(scale)/부식 억제 및 미립자 분산능을 유지하는데 도움이 된다.
처리제는 시스템 장치에서 스케일 형성 및 부식을 억제하고 침착물의 형성을 억제하며 시스템 장치, 특히 열교환기에서 현탁된 고체의 침강을 방지(분산성)하는데 기여한다. 이 역할에서 당해 제제가 소모된다.
처리제를 예정된 농도(표준)로, 즉 스케일링, 부식 및 침착을 방지하기 위해 아마도 가장 적합한 것으로서 최초로 결정된 표준 농도로 냉각수에 가한다. 특정 용량으로 결합된 다수의 처리제가 존재할 수 있지만 이들은 총체적으로 또는 각각 그 위에 보호 필름(부식 억제제)을 형성하거나 원하지 않는 입자(예 : CaCO3및 기타 스케일 형성 염)상에 흡수됨으로써 시스템 장치의 성능을 증진시켜 이의 응집 또는 지속적인 성장을 방지하고 시스템 장치의 스케일 침착을 방지한다.
처리제와 함께 공지된 양의 불활성 추적자(ppm 형광 추적자, 예를 들면, 2-나프탈렌 설폰산, 2-NSA)를 포함하는 본 출원인의 미합중국 특허 제4,783,314호에 기술된 바와 같이, 물 샘플의 방사율을 측정하고 이것을 추적자의 표준 용액과 비교함으로써 시스템에 첨가된 처리제 농도를 측정하고 제어할 수 있다. 시스템 장치와의 반응(흡착 또는 침착)에 의해 영향을 받지 않거나 수중에서 처리제 또는 천연 불순물 중 어느 하나와 반응하지 않도록 형광 추적자를 선택하기 때문에 이것은 매우 정확한 분석이다. 추적자는 불연속적으로 시스템을 통해 이동하며, 냉각수 시스템의 처리제 농도 및 특성의 진정한 지시제로서 실체가 변하지 않는다. 환언하면, 이의 전체가 일정하며, 시스템과 화학적 및 물리적으로 불활성이며 복사 장치를 보정할 경우라도 시스템내 물(자연 형광) 또는 처리제중에 존재할 수 있는 소량의 형광을 보상할 필요가 있다.
냉각탑의 조작시, 몇가지 중요한 현상이 포함된다 : 증발, 수거된 불순물을 배출시키는 방출(blowdown) 및 보충(makeup)수에 의한 방출 용적의 대체.
조작 조건은 변할 수 있으며(예를 들면, 다수의 방출), 결론적으로 방사율의 측정에 의해 결정되는 불활성 추적자의 농도( 및 처리 용량)가 상응하게 변할 수 있고, 방출 속도가 증가할 경우(시스템에 첨가되는 미처리 보충수의 양이 증가되는 경우), 처리제의 공급 속도가 커져야 하며, 방출 속도가 감소할 경우, 처리제의 공급 속도는 감소한다.
불활성 추적자는 또한 진단 장치로서 작용한다. 냉각탑 시스템은 너무 복잡해서 작동자는 명세서를 벗어나는 시스템 조작을 알지 못할 경우가 있다.
화학적 공급 시스템(밸브, 펌프 등)이 고장나거나 예기치 않은 보충수의 공급원이 시스템내에 들어올 경우가 실제적으로 있다. 이러한 예외는 이들이 시스템내 물중 불활성 추적자의 방사율 값을 변화시킴으로써 나타나게 될 시스템 내에서의 처리제 농도를 명백하게 변화시키기 때문에 중요할 수 있다. 따라서, 시스템으로부터의 방출량(또는 시스템에 첨가되는 보충수)이 과도하게 증가하거나 감소할 경우, 시스템은 샘플화 됨에 따라 예기치 않은 방사율 값을 나타낼 것이다. 시스템이 적절하게 작동되고 있음을 선행 샘플이 입증할 경우, 방사율 판독에서의 예기치 않은 변화는 시스템의 부정확한 작동의 표시 및 부정확한 작동의 원인으로서 제공될 수 있다.
따라서, 샘플중 불활성 추적자의 방사율 값이 처리제 100ppm에 상응하는 값으로 지속적으로 유지될 경우, 처리제 농도는 예상되는 표준값에 부합한다. 그러나 표준용량(예 : 불활성 추적자에 의해 결정된 것으로서 처리제 농도에 있어 10ppm 감소)과 비교되지 않는 방사율 값에 의해 결정된 용적 변화의 경우, 시스템의 부정확한 작동을 확인하고 수정하기 위해 필요한 시스템의 명세서 이외 또는 비표준 작동이 있다.
본질적으로, 불활성 추적자의 사용으로 순환수역에 있어서의 용적 변화를 정확하게 검출할 수 있게 되었으며, 이때 순환수역은 시스템 장치에 의해 또는 그 안에 포함되며, 여기에 처리제가 첨가되어 이의 일부는 스케일링, 부식 또는 침착 형성을 초래하는 불순물을 억제하는 역할을 하기 위해 사용되며, 일부는 장치, 특히 수 냉각탑의 열교환기의 효율성을 손상시킬 수 있다.
공업용수 시스템에서, 최적 성능을 위해, 적합한 생성물 또는 처리제(생성물)의 공급 수준을 유지시키는 것이 필수적이다. 적합한 생성물 공급 수준은 공극적으로 처리제의 전체 농도 및 처리제를 함유하는 각 활성 성분의 농도를 모두 포함한다. 중합체와 같은 활성 성분을 가할 경우 스케일/침착이 억제되고, 입자가 분산되며 부식 억제제의 활성이 향상된다.
그러나, 활성 성분 농도, 특히 중합체를 정량적으로 모니터하고 피이드백 통제하기가 매우 어렵다.
본 발명의 목적은 장치상에서 보호 필름 형성으로 인한 마멸의 결과로서 처리제의 활성 중합체성 성분(들)의 손실을 효과적으로 모니터하고 보충(내식성)하거나 고체 불순물상에 흡수시킴으로써 장치상에 침착될 수 있는 입자의 응집 또는 결정 성장을 방지하는 것이다.
본 발명은 공유 결합된 아민 함유 형광 잔기 표지를 포함하는 처리제를 예정된 농도로 수역(the body of water)에 투여하고; 표지된 처리제를 함유하는 수역의 샘플을 제거하고; 샘플중 처리제 농도의 척도로서 방사율을 분석하고; 분석 샘플이 예정된 농도로부터 농도 이탈을 나타내도록 처리제의 농도를 제어하는 단계를 특징으로 하여 물 재순환계내의 순환수역에 첨가된 처리제(당해 처리제는 입자의 스케일링, 부식 또는 침강을 억제함으로써 시스템내의 장치의 효율성을 향상시킨다)의 농도를 결정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 공유결합된 아민 함유 형광 잔기 표지를 포함하는 예정된 농도의 처리제 및 별도로 시스템내에서 불활성인 불활성 형광 추적자를 처리제 농도와 동일한 농도로 수역에 투여하고; 추적자 및 표지된 처리제 첨가된 수역의 샘플을 제거하고; 샘플중 이들 각각의 농도의 척도로서 첨가제의 방사율을 별도로 분석하고; 분석된 처리제와 추적자의 농도간의 차이를 처리제 소모에 상응하는 동일한 농도로부터의 이탈로서 결정하는 단계를 특징으로 하여, 물 재순환계내에 포함된 순환수역에 첨가된 처리제(이 처리제는 입자의 스케일링, 부식 또는 침강을 억제함으로써 시스템에서 장치의 효율성을 향상시킨다)의 소모량을 측정하는 방법을 제공한다.
스케일 형성을 방지할 경우, 처리제는 입자 분산제 또는 임계 억제제로서 작용될 수 있으며, 문헌[참조 : the NACE paper, 제목 : Influence of Mechanistic Studies on the Development of New Cooling Water Programs, Paper No. 175 by John E. Hoots et al., April 17-21, 1989]에 매우 상세하게 분석되어 있다. 주제는 매우 복잡하다.
본 기술의 목적은 처리제로서 적절한 중합체(또는 중합체 혼합물)를 선택함으로써 냉각수내의 스케일링(및 또한 부식) 현상을 억제할 수 있음을 인식하는 것으로 충분하다.
화학적으로 결합된 형광제 또는 광-흡수 단위를 함유하는 카보닐 골격을 갖는 중합체(본 명세서에서 생성물)의 사용으로 중합체 농도가 매우 낮은 경우에서 조차도 본 발명에 따라 농도 모니터/제어 작업을 수행할 수 있게 되었다.
본 발명의 이점은 하기와 같다:
(1) 시간에 대한 중합체 농도의 연속적인 기록을 얻을 수 있고 중합체 수준이 특정 범위내에서 유지되는지의 여부에 대해 직접적으로 확인할 수 있으며,
(2) 중합체 농도를 특정 범위내에서 유지시키기 위해 중합체수준을 피이드백 제어할 수 있고,
(3) 시스템의 작동 조건(예 : 중합체 수준에 대한 스케일링 또는 부식 조건의 영향)을 변화시키는 활성 처리제 또는 생성물 성분(중합체)의 반응을 관찰할 수 있으며,
(4) 중합체 수준을 수행 반응성 제어(예 : 중합체 수준이 스케일링 조건으로 인해 감소할 경우, 모니터/피이드백 제어장치를 처리제에 가하여 일정한 중합체 수준을 유지한다)할 수 있고,
(5) 불활성 화학물질 추적자(전체 생성물 농도의 척도)를 사용하고 생성물 농도를 표지 중합체 수준으로부터 제시된 바와 같이 감함으로써 시스템의 총 중합체의 요구량을 결정(여기서, 총 중합체 요구량의 변화로 활성 성분의 손실이 과도한지의 여부를 알 수 있다)할 수 있다.
화학적으로 결합된 자외선/가시광선 흡수 발색단 및 형광단위로 표지된 중합체를 사용한다. 이들 단위는 하기의 방법으로 중합체내로 혼입될 수 있다 :
A. 아크릴산/아크릴아미드 공중합체와 방향족 또는 알킬방향족 아민의 트란스아미드화;
B. 아크릴산/아크릴아미드 공중합체와 알킬-방향족 아미노산의 트란스아미드화;
C. 중합 반응 도중 알킬방향족 탄화수소와의 쇄-이동 반응;
D. 형광 다량체와의 공중합 반응.
광 흡수 발색단은 또한 유사한 합성 방법에 의해 중합체내로 혼입될 수 있다.
관련된 중합체는 수용성이고, 아크릴산으로부터 유도된다. 즉, 폴리아크릴산 중합체 또는 이의 유도체, 즉, 예를 들면, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리메타크릴아미드, 폴리설포메틸아크릴아미드, 폴리비닐아세테이트, 폴리메타크릴산 및 폴리아크릴로니트릴이 가장 주목할 만하다. 분자량은 통상 약 2,000 내지 100,000이다.
일반적으로, 아크릴아미드는 카보닐형 그룹의 존재를 특징으로 한다.
상기 식에서, R은 -OR'(여기서, R'는 수소 또는 염이거나 탄소에 또는 유기 분자에 공유결합된 수소가 아닌 1가 또는 다가 그룹을 의미하는 수소가 아닌 치환체이다) 또는 -NH2이다.
트란스아미드화 반응에 의해 유도된 펜던트 중합체 그룹이 일반식(II)의 구조를 갖는 중합체 단위 또는 머(mer) 단위(2개의 인접한 골격 탄소를 함유하는 중합체 부분) 및 이의 염 및 이들의 혼합물 또는 배합물 중에 함유될 수 있다.
상기 식에서, R4는 CnH2n(여기서, n은 0 또는 1 내지 약 10의 정수이다)이고, R1, R2및 R3은 독립적으로 수소 또는 수소 이외의 치환체이고, R은 일반식(I)에 대해 위에서 정의한 바와 같다.
유기 형광 유도체화제는 아민 그룹, 바람직하게는 1급 아민 그룹을 함유하는 유기 형광 분자이다. 이러한 제제는 일반식(III)으로 나타낼 수 있다 :
상기 식에서, F1, 및 F2중의 하나는, 바람직하게는, 수소일 수 있고, F1및 F2중의 적어도 하나 또는 F1및 F2가 함께 유기 형광 그룹을 나타낸다.
트란스아미드화 유도반응을 하기와 같이 수행된다 :
여기서, 일반식(IV)의 구조는 중합체상에서 트란스아미드화 유도체화된 펜던트 그룹이다.
일반식(IV)로부터 알 수 있는 바와 같이, 유도체화된 펜던트 중합체 그룹은 F1및 F2중의 적어도 하나 또는 F1및 F2가 함께 형광 그룹을 갖는 펜던트, N-치환된 아미드 그룹이다. 이 반응은 R이 -OR'인 경우 아미드화 반응이고 R이 -NH2인 경우 트란스아미드화 반응이므로, 용어 트란스아미드화는 본 명세서에서 반응의 두 유형중의 하나 또는 모두를 구체화하기 위해 사용된다. 따라서, 머 단위에서 형광 표지는 형광잔기, 바람직하게는 아민 함유 유기 형광 잔기이다.
한정된 처리제는 수 순환계에서 고갈되어 스케일링, 부식 또는 침착이나 침전을 방지하기 때문에, 예상되는 성능을 관찰할 수 있다. 예를 들면, 과거의 경험 또는 시스템내 물에 대한 분석으로 중합체의 정상적인 고갈을(예를 들면) 100ppm에 상응하는 방사율 판독으로 확인할 수 있도록 공급하여야 함을 알 수 있다. 방사율 값은 DC 전압 아날로그로 전환될 수 있다. 그 다음, 이러한 전압 아날로그를(예를 들면) 허용되는 처리제의 범위인 98 내지 102ppm에 상응하는 LO 및 HI 고정점을 갖는 펌프 제어기로 전달하며 ; 전달된 전압값이 LO보다 낮은 경우, 콘트롤러는 처리제를 공급하는 펌프 속도를 증가시킨다 ; 판독값이 HI를 초과할 경우는 그 반대이다. DC 전압(예를 들면, DC 전류 또는 진동 주파수)이 아닌 아날로그 시그날을 또한 사용할 수 있고, 아날로그 시그날을 상호 전환시킬 수 있다(예를 들면, DC 전압을 DC 전류로 전환시킨다).
제1도는 본 발명에서 사용할 수 있는 수순환계의 전형적인 수 냉각탑 시스템 견본의 다이아그램이다.
탑 TW는 재순환수 RW가 공급되는 증발기 E를 포함하고 RW의 증발 냉각은 시스템으로부터 열을 방출시킨다. 펌프 P1을 사용하여 뜨거운 물을 탑 저장소 또는 수조 R로부터 펌프시켜 물이 가열되는 열교환기 HE로 보낸다. 불순물의 농도가 너무 높을 경우 펌프 P2 및 (개방) 밸브 V를 사용하여 때때로 방출 B을 시킬 수 있다. 밸브 V-1을 개방하여 신선한 보충수를 도입시킨다.
처리제는 제어 펌프 P3를 사용하여 공급기 CA로부터 탑수로 공급한다.
제2도는 펌프 P3를 제어하는 방법을 나타낸다. 하기에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 순환 냉각수 샘플(20)을 냉각탑의 저장소 R과 연결된 우회 라인(30)으로부터 전환시킨다. 샘플은 이의 방사율(em)을 측정하여 전압 아날로그로 전환시키는 유량계 유출 셀을 통해 공급한다. 방사율을 또한 DC 전류 또는 진동주파수 시그날로 전환할 수 있다. 용어 아날로그 시스날(analog signal)은 DC 전압, DC 전류 또는 진동주파수 시그날을 나타내고, 각 시그날 형태는 상호 전환될 수 있다(전압 아날로그가 잔류 아날로그 시그날로 전환된다). 아날로그 시그날이 또한 연속 가시 성능 도표를 위해 사용될 수 있다. 아날로그 시그날이 한쌍의 고정점중 한쪽에 있을 경우 펌프 P3를 위한 제어기 MN은 결정 능력을 갖는다. 고정점은 HI(고) 및 LO(저)로서, 이는 방사율의 아날로그 시그날이 HI와 LO 고정점 값(등가) 사이에 있는 한, 처리제 용량을 변화시킬 필요가 없음을 나타낸다; 그러나 한쪽 값이 다를 경우 HI 시그날 또는 LO 시그날이 펌프 속도를 변화시킴으로써 처리제의 공급 속도를 감소시키거나 증가시키는 펌프 P3을 위한 변환기(도시되지 않음)로 전달된다.
연속 모니터 장치가 제2도에 확대된 규모로 도시되어 있다. 수정 실린더 형의 유출 셀은 참조 기호(40)으로 표시된다. 유출 셀은 유출 셀의 한쪽 면에 대해 향해있는 광원(42)에 의해 방출되는 자외선에 대해 투명하다. 광원으로부터 90°각도에 형광 방사율을 아날로그 시그날(예를 들면 0 내지 5볼트 DC)로 변환시키는 변환기(45)가 있으며, 방사율은 형광제 농도에 따라 변화한다.
다이알 지시기(46)는 처리제의 농도(ppm 당량)가 관찰될 수 있도록 변환기(45)의 출력(D.C.) 전압에 반응한다. 이 다이알은 분석기의 0%(미처리) 및 100% 방사율 반응을 위해 각각 수동으로 제어되는 2개의 보정 노브(knob) (46A, 46B)를 갖는다.
처리제 농도의 하아드 출력(hard printout)을 위한 기록기는 참조 기호(48)로 표시되며, 분석기내에 포함된 변환기 소자를 기본으로 하는 아날로그 시그날(연속선)에 대해 반응한다. 기록기는 제4도에 도시된 것과 같은 출력에 대해 응답한다.
마지막으로, HI, LO 랫칭 릴레이(latching relay) (CR) 콘택트(contact)를 갖는 모니터 MN은 처리제의 농도를 효과적으로 평가하는 변환기의 출력 아날로그 시그날과 연결되어 있다. 평가 결과 표준물에 비하여 유리하지 않을 경우, 모니터는 펌프 P3를 제어함으로써 제어 시그날을 제어 라인(49)으로 전달하고, 처리제를 도관(50)을 통해 저장소 R(제2도)에 공급한다. 전형적인 필드(field) 조건은 처리제 100ppm을 필요로 할 수 있다. 표지된 처리제의 표준 용액으로 보정할 경우 0% 보정 노브(46A)를 사용하여 다이알 포인터(46)를 0으로 고정시키고 노브(46B) (100%)를 사용하여 다이알 포인터(46)를 처리제 농도 200ppm 당량이 판독되도록 고정한다.
냉각수중에서 변화하지 않는 약간의 자연 형광이 존재한다. 형광 표지제의 양은 이러한 잠재 간섭을 극복하기에 충분하다.
이 실시예에서 계를 정확하게 표준값 100ppm[다이알 포인터(46)의 50% 고정에 상응]으로 작동시키는 것은 실용적이지 않고 필요하지도 않다. 따라서, 모니터에서 용량 고정점(LO, HI)은 98 내지 102ppm으로서 선택될 수 있으며, 이들 값은 (등가)비교를 위한 표준을 나타내고, 즉, 초기에 측정된(on-stream) 방사율의 아날로그 시그날(이 경우 0 내지 5볼트 DC)은 모니터의 고정점과 비교된다. 모니터 MN에서 상응하는 LO, HI 전압은 2.45 내지 2.55볼트 DC일 수 있고, 즉 모니터가 2.45볼트 DC의 LO 값을 검출하는 경우 제어 시그날이 명령에 의해 2.55볼트 DC의 HI 값이 검출될 때까지 연속적으로 펌프 속도를 증가시킨다. 이와 관련하여, 연속적인 유출하에 실제-시간을 기본으로 하여 연속적으로 모니터되는 것은 처리제 농도이며, 물 수득 또는 물 손실과 같은 특정의 불확실하고 비선택적인 공정 매개변수나 그래브(grab) 샘플 평균화는 모니터 되지 않는다.
성능을 측정하기 위한 표준은 우선적으로 불순물 농도, 부식 또는 스케일링에 대해 보호되는 튜브 면적, 물 용적 및 물 유량을 포함한 시스템의 변수에 대한 선행 지식에 근거한다. 이러한 인자를 사용하여 필요한 처리제의 용량을 평가할 수 있다. 조작인자(매개변수), 특히 처리제에 의해 억제되어야만 하는 평가된 계의 스케일링 경향에 오차가 있을 경우, 비표준적 수행은 잘못된 용량 계산에 기인할 수 있으나 처리제의 시스템 용적 또는 제거에 있어서의 예기치 않은 변화(즉, 과도한 발포, 스케일링 등)에 기인하는 것은 아닐 수 있다. 특정한 경우, 모든 공정 매개변수가 정확하게 공지된 경우 용량을 수정하거나, 계에 문제점을 야기시켜 공정 매개변수에서 공지되지 않은 오차를 확인함으로써 우세한 냉각탑 수 시스템에 대해 처리제 용량을 정확하게 결정할 수 있다. 상당량의 공지되지 않은 보충수의 첨가로 인해 비표준적으로 수행됨으로써 처리제가 희석되어 투여량이 입자 응집, 스케일링 및/또는 부식을 억제하기에 충분하지 않을 수 있다. 또한, 처리제의 용량이 상당히 저하됨으로써 상당량의 공지되지 않은 발포 손실로 인해 비표준적으로 수행될 수 있다.
이는 아날로그 시그날[예 : DC 전압(VCD)] 및 방사율(em)에 의해 형광 및 이의 등가물을 잘 알고 있는 숙련가에게는 용이하게 이해될 것이지만, 제3도는 통상 방사율 및 이의 전압 아날로그가 순환하는 아크릴계 중합체의 카보닐 골격에 형광 잔기를 함유하는 중합체성 처리제(TA)의 증가(ppm)에 따라 증가함을 보여주고 있다.
냉각수 프로그램에서 형광 표지된 중합체 처리제의 연속적인 모니터/제어 실행가능성이 파일롯트 냉각탑에서 입증된다(제4도). 중합체는 형광 표지를 함유하며 제2도와 관련하여 기술된 유형의 시판되고 있는 형광계 단위를 사용하여 모니터/제어된다. 중합체 농도 제어점을 중합체가 활성인 7.5ppm으로 우선적으로 고정시킨 다음(제4도, 4-1), 10ppm으로 상승시키고(4-2), 최종적으로 6.8ppm으로 저하시킨다(4-3).
표지 중합체의 연속적인 모니터로 또한 문제점이 부각되어 즉, 시스템 이상을 검사할 수 있다 : 보충 주입밸브 고장(제5도) : 보충수 첨가로 인한 화학적 농도변화(제6도).
방출 펌프 및 보충수 주입 밸브용 개폐기로 인해 상기 시스템에서 본 실시의 감도를 증명하는 톱니 형태(4 A.M. 내지 10 A.M., 예를 들면, 제5도)가 전형적이다.
시험 도중(제5도), 보충 주입 밸브 V-1을 폐쇄 위치에 고정시킨다(5-1). 이것은 과도한 사이클화를 초래하며 시스템 용적을 크게 감소시킨다(연속적인 발포 펌프). 표지 중합체 농도를 모니터함으로써 밸브가 고장난 지점을 명확히 알 수 있다. 따라서, 제5도에서 양의 기울기 5-1 내지 5-2로 도시되는 바와 같이 시스템 용적이 감소함에 따라 표지 중합체 농도가 증가한다. 보충 밸브를 정상조업 상태로 회복할 경우(5-2), 시스템의 용적은 정상적인 수준으로 회복된다[제5도, 5-3].
표지 중합체 농도를 모니터 할 경우, 정상 조업으로 인한 톱니형 곡선이 계속 반복된다(제6도). 첨가된 보충수에 의해 농도가 변화하고, 바신(basin) 또는 저장조의 용적을 3 내지 4%까지 희석시킨다(6-1). 보충수 밸브를 잠글 경우(6-2), 보충수 밸브가 개방될때까지(6-3) 물이 증발하면서 처리제 또는 생성물의 농도가 서서히 증가한다.
중합체 농도 변화의 원인을 명백하게 관찰하고 확인하기 위해서는 형광계 출력 시그날의 안정성이 우수하고 소음 수준(±0.05ppm 중합체 활성)이 낮은 경우 가능하다.
형광 표지제는 아크릴산/아크릴아미드 중합체 골격을 사용하여 트란스아미드화를 통해 가하고 이를 1-아미노-7-나프탈렌 설폰산 및 아미노-메탄설폰산으로 유도체화시킨다. 아민-함유 유도체화제를 사용하여 중합체 골격과 N-치환된 아크릴아미드를 결합시킨다.
다시 말하면, 파일롯트 냉각탑에서 수득한 시험 결과(제4도 내지 제6도)는 하기하는 바와 같다 :
1) 형광 표지 함유 중합체의 농도를 계속하여 모니터하고 제어하는 능력;
2) 매우 높은 정확도로 낮은 수중의 표지 중합체를 검출하고 용량을 제어하는 형광 표지제의 능력;
3) 중합체 농도를 위한 목표 용량을 임의로 변화시킬 수 있는 능력(제4도, 목표 용량을 처음에는 7.5ppm, 그 다음 10ppm, 그 다음 다시 6.8ppm으로 표지 중합체의 농도를 변화시킴);
4) 표지 중합체 농도를 모니터에 의해 장치 고장을 진단하여 정상 조업 상태로 회복시킴-제5도에 도시됨;
5) 표지 중합체 농도를 모니터하여 냉각수 시스템의 기계적인 조작을 예측하는 능력(제6도, 시스템에 물을 가한 다음 재순환 냉각수의 연속적인 증발이 일어난다).
각각의 사용 목적이 명백하게 상이한 냉각수 시스템의 2개의 형광공급을 모니터할 수 있는 파일롯트 냉각탑에서 추가의 시험 결과가 수득된다. 광원중 하나는 본 발명자의 선행 특허에 따른 불활성 형광 추적자, 예를 들면, 2-나프탈렌 설폰산(2-NSA)을 들 수 있고; 다른 광원으로 전술한 표지 중합체가 있다.
형광 표지 중합체는 침착을 억제하고, 부식 억제제의 활성을 향상시키고, 수 시스템에 입자를 분산시킨다. 활성 처리제 성분이 (흡각공정을 거쳐) 침착물내로 혼입되기 때문에, 표지 중합체의 형광도는 불활성 형광 추적자(2-NSA)의 형광도보다 작아야 하며, 이것은 실제로 제7도에 나타낸 바와 같다. 이 경우, 적정 함량이 100ppm인 처리제(활성)는 7.5ppm의 형광 표지 중합체(활성) 및 0.40ppm의 불활성 형광 추적자를 함유함다. 190시간이 경과한 후, 표지 중합체 농도는 6.00ppm 활성(80ppm에 상당하는 처리제 투여점 7-1)으로 측정되고 불활성 추적자 농도는 0.42ppm 활성(105ppm에 상응하는 처리제 투여점 7-2)으로 측정된다. 105ppm에 상당하는 처리제 용량에서, 표지 중합체의 예상되는 농도는 7.88ppm(활성)이다.
표지 중합체의 예측농도(7.88ppm 활성)와 측정 농도(6.00ppm 활성) 사이의 차이는 스케일링 및 부식 부위에 대한 표지 중합체의 혼입에 기인한다. 이 차이는 제7도에서 기호 △-1로 표기되는 1.88ppm 중합체 활성이다. 따라서, 동등한 처리제 용량간의 차이(표지 중합체에 의해 결정된 것으로, 실제 80ppm에 대해 불활성 추적자에 의해 결정된 것으로서, 예상되는 105ppm)는 성능 역할에서 (표지) 중합체의 ppm 침착(소모)에 대한 차이에 의해 전환될 수 있는 스케일링 및 부식 부위로의 혼입에 의한 표지 중합체 손실의 동등한 척도이다. 이미 지적된 바와 같이, (스케일 및 침착 부위로 혼입됨으로 인한) 표지 중합체 농도의 손실을 측정함으로써 처리제 성능의 척도를 수득할 수 있다. 예를 들면, 2.25ppm 활성 미만의 표지 중합체 농도(30ppm에 상당의 처리제에 상응하는, 즉 30/100×7.5)의 손실이 여전히 스케일링 부식 및 입자 분산을 허용가능하게 억제시킬 경우, 필요에 따라 수행기준에 부합되는 처리제의 조업조건, 용량 또는 조성을 조정할 수 있다. 제7도로부터 표지 중합체 및 처리제의 성능이 대체로 전술된 수행 기준내에 있음을 알 수 있다. 340시간 후, 편차(△-2)는 약 12ppm이며, 표지 중합체 약 0.9ppm의 결여에 상응한다.
이는 불활성 화합물의 형광도와 활성 화합물의 형광도를 비교함으로써 연속적으로 수득된 생성물 성능의 표준으로서 형광 표지 중합체의 사용에 대한 또 하나의 잇점을 기술한 것이다. 또한, 두 형광 수준 사이의 차이는 전형적으로 존재하는 입자상에서 침착/부식 공정과 흡착에 의해 초래된다.
제7도에서, 수행 절차는 하기와 같다;
(1) 처음에 생성물 200ppm을 우선적으로 가한다.
(2) 50시간이 경과할 때까지 수 시스템에서 발포가 발생하지 않는다. 0 내지 50시간에서, 불활성 추적자 농도는 드리프트(drift) (냉각탑 및 팬(fan)에 의해 시스템에서 방출되는 냉각수 적)로 인해 미소하게 감소할 것이다.
(3) (약 50시간에서) 발포가 개시되면, 생성물을 약 95 내지 100ppm 용량으로 공급한다.
생성물 용량을 200ppm(초기값)에서 95 내지 100ppm(지속값) 값으로 감소시키기 위해서는 120 내지 150시간(전체 경과 시간 170 내지 200시간)이 추가로 소요된다.
제7도에서 핵심적 관측 사항은 하기와 같다 ;
(A) 불활성 추적자의 농도는 파일롯트 냉각탑 조업조건을 기본으로 하여 예상되는 양태에 따른다.
(B) 표지 중합체의 농도(상응하는 생성물 용량으로 제시된 바와 같이)는 열교환 표면 및 입자에 대한 표지 중합체의 흡착으로 인해 불활성 추적자보다 낮다.
추가로 제7도에 관해서 설명하여 보면, 시스템에 대한 추적자의 첨가 농도(ppm)는 표지 중합체의 농도(ppm)와 동일하다. 이것이 중합체의 성능을 결정한다. 시스템이 (약 200시간 후) 안정한 상태에 도달하여 용적측정에 이상이 없음(물의 증가 또는 손실이 예상됨)이 추정되는 평형상태에 도달할 경우 추적자(2-NSA)의 농도는 중합체 농도 구성의 ppm 당량으로서 상당한 안정성을 유지해야 한다(특히 225시간 후 명백함). 그러나, ppm 판독에서 상응하는 스윙(swing)과 함께 계획된 발포 및/또는 보충으로 인해 예측했던 용적 변화가 있을 때 명백한 스윙이 존재할 수 있다. 두 ppm 판독 사이의 산술적인 차이 또는 이탈(+ 또는 -)로 처리제 소모량이 예정대로(정상 수행)인지, 또는 이상 수행으로서 너무 많거나 적은지를 결정할 수 있다.
불활성 추적자에 대한 상응하는 ppm 출력은 정상적인 역할에서 소모되는(특정 방식 또는 다른 방식으로 침착) 중합체와는 달리, 불활성 추적자의 전체 수 순환계를 통한 화학적 또는 물리적 변화가 없기 때문에 물의 제거(발포) 또는 첨가(보충)에 기인한 용적 변화의 추적자이다. 정상적으로 수행하는 경우, 즉, 평형상태에서 두 개의 출력라인(제7도)은 실질적으로 평행하게 될 것이다; 추적자(2-NSA) 농도는 중합체 초기용량과 동일하고, 중합체는 예측된 속도로 소모된다(침착). 한편, 제7도에 관해 다시 언급하면, 표지 중합체 TA의 농도가 190시간 후에도 이의 편차를 계속 유지할 경우, 이는 특정 이유 또는 기타 이유로 인해 비정상적이고 허용될 수 없는 속도로 소모된다는 사실을 입증하는 것이다. 반대로, ppm TA가 상승하여 불활성 추적자 라인과 교차하는 경우, 이것은 너무 많은 처리제가 사용되거나 중합체 생성물이 정상적으로 수행되지 않음을 나타낸다. 그 다음 처리제 용량은 양 또는 종류에 따라 변한다.
출력 좌표(제4도)는 최상의 정보를 나타낸다. 시간축인 횡축은 설명할 필요가 없고, 수직축은 시간에 따라 농도 변화를 나타낸다. 또한, 제7도에서 수직축은 표지 중합체 분석물의 수준을 측정하기 위해 존재해야 하는 처리제의 양에 관한(또는 처리제의 양을 나타내는) 것으로, 우발적으로 분석물의 손실(또는 첨가원)이 발생하지 않는 것을 추적할 수 있다. 중합체 용량은 활성 성분(예를 들면, 단지 7.5ppm의 표지 중합체) 및 희석제 또는 담체, 통상적으로 활성 성분이 용해되어 있는 물 속에 용해되어 있는 불활성 추적자를 포함해야 한다.
제7도에서 수직축은 활성(표지) 중합체가 이의 일부분인 생성물의 공급원이 실제적으로 관련된 문제이기 때문에, 펌프 P3이 시스템에 제공되는 속도를 변화시킴으로써 제어되는 상응하는 용량으로 기록한다.
분석물 형광 표본(2-NSA 및 아미노 나프탈렌과의 설폰산 표지)은 감도 및 표지 중합체 성능에 의한 간섭의 결여에 근거하여 선택하며 둘 다 등가물에 의해 대체될 수 있다.
주지된 바와 같이, 제4도 내지 제7도의 데이터로부터 확인된 중합체는 1-아미노-7 나프탈렌 설폰산 및 아미노-메탄설폰산, F1및 F2로 유도체화된 아크릴산/아크릴아미드 골격을 갖는다. 그러나, 특정 부위는 중합체 골격(F1또는 F2)의 형광에 적합하며, 물론 수용성 중합체군은 표지 되어 명세서 및 특허청구의 범위 내에서 동일하게 실시될 수 있다. 중합체에서 모든 머(mer) 단위가 표지 될 필요는 없다; 전체 머 단위의 1 내지 2중량%로 충분하며 이러한 한정된 양의 표지로 1ppb 미만으로 검출될 수 있다.
상당히 형광성인 그룹을 사용할 경우, 형광 유도체화제는 중합체의 약 0.5몰% 이하로 사용될 수 있다. 중합체는 형광 유도체화제 약 1몰%를 사용하여 매우 높은 형광 검출도를 제공한다. 중합체내로 혼입될 수 있는 형광 그룹의 최대량은 단지 제공된 중합체에서 가능한 반응 부위로 제한되며, 일반적으로 중합체를 과도하게 표지시킬 필요는 없다. 사용된 형광 유도체화제의 소모에 필요한 것보다 더 많은 반응 부위(일반식(I)의 펜던트 그룹)를 갖는 중합체를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 중합체 반응 부위 대 형광 유도체화제의 몰 비는 1 대 1일 수 있고, 사실상 이보다 적은 중합체 반응 부위를 사용하는 것이 합리적이고 과량의 중합체 반응 부위를 갖는 것이 바람직하고, 임의의 중요한 분자량을 갖는 가용성 중합체는 일반적으로 위와 같이 과량으로 포함할 것이다.
바람직한 양태로, 본 발명의 출발물질 중합체는 분자량이 약 2,000 내지 약 100,000, 더욱 바람직하게는 약 50,000인 수용성 중합체이다. 추가의 바람직한 양태로, 본 발명의 출발물질 중합체는 일반식(II)의 머 단위가 10몰% 이상, 보다 바람직하게는 30 내지 50몰% 이상인 수용성 중합체이다. 보다 바람직한 양태로는, 일반식(II)의 머 단위가 70몰% 이상인 중합체이다. 그럼에도 불구하고, (트란스)아미드화는 특히 과량의 유도체화제를 사용할 경우, 이러한 머 단위를 약 1중량% 이하로 사용하여 처리되는 것으로 여겨진다.
유기 유도체화제의 형광 그룹(들)은 전술한 바와 같은 다핵성 방향족 환 시스템일 수 있고, 아민 잔기 및 바람직하게는 1급 아민을 함유해야 한다. 다수의 다양한 이러한 유기 형광 아민 함유 조성물이 시판되고 있다. 수용성 조성물로서 시판되고 있는 것은 여러 종류가 있으며, 다른 조성물은 이의 염 형성시 수용성이거나 보다 수용성이 될 수 있다. 본 발명에 유용한 형광 유도체화제는 식별할 수 있는 형광 스펙트럼 특성으로 유용하며, 따라서 중합체를, 예를 들면, 수득된 이의 스펙트럼 특성에 의해 상이한 중합체 사이에서 구별되는 상이한 형광 그룹으로 표지할 수 있다.
유기 형광 유도체화제의 아민 그룹을 다핵성 방향족 환 시스템에 직접 공유결합되거나, 알킬 그룹에 의해 환 시스템에 결합될 수 있다. 즉, 환 시스템에 결합된 그룹은 아민, 아민 치환된 알킬 그룹, 또는 추가로 치환된 아민 치환된 알킬 그룹일 수 있다. 바람직한 아민 함유 형광 유도체화제는 알킬 아민을 함유하는 것이다. 또한, 이러한 제제는 일반적으로 매우 저가로 용이하게 시판되고 있기 때문에 환 시스템에 공유결합된 1급 아민을 함유하는 것이 바람직하다.
매우 유용한 유기 형광 유도체화제 그룹은 나프탈렌 환 시스템을 함유하며, 상기의 환 시스템은 하나 이상의 1급 아민 및 하나 이상의 설포산 그룹에 의해 치환된다. 합리적인 가격으로 시판되고 있는 다수의 조성물이 이러한 그룹에 존재하고, 각 치환체의 제공된 수에 대한 나프탈렌 환 시스템의 각각의 치환체 위치 및 다수의 아민 및 설폰산 치환체에 의해 서로 구별되는 다수의 조성물이 또한 이러한 그룹에 존재한다.
보다 특별하게는, 아민 함유 나프탈렌 조성물은 바람직하게는 아미노 나프탈렌 모노설폰산, 아미노 나프탈렌 디설폰산, 아미노 나프탈렌 트리설폰산 및 이의 나트륨 및/또는 칼륨염(들)을 함유한다.
바람직한 양태로, 생성물 중합체가 유기 형광 유도체화제보다 상이한 스펙트럼 특성을 가짐으로써, (트란스)아미드화 반응에 의해 표지된 생성물 중합체의 존재가 이의 특히 중요한 형광 피이크의 존재에 의해 간단히 결정될 수 있다.
사용되는 중합체는 일반식(I)의 펜던트 그룹의 양에 따라 변할 수 있고, 어떤 것은 일반식(I) 이외의 상이한 펜던트 그룹을 갖는다. 일반식(I)에 존재하는 단일 유형의 펜던트 그룹 즉, 아크릴산 단독중합체 및 (메트)아크릴산 및 아크릴아미드 단위를 함유하는 다수의 중합체를 사용하여 유도체화시킬 수 있다.
각각의 유도체화를 위한 출발물질로서 사용되는 중합체는 바람직하게는 일반식(II)내에 70몰% 이상의 머 단위를 가지며 평균 분자량은 50,000 미만이다. 중합체 단위에 대해 하기 약어를 사용한다:
AA 아크릴산
AcAm 아크릴아미드
AMS 설포메틸아크릴아미드
VA 비닐 아세테이트
MAA 메타크릴산
ACN 아크릴로니트릴
하기 조합이 바람직하게 포함된다 : AA/AcAm, AA/AcAm/AMS, AA/Ac/Am/MAA 및 AA/AcAm/ANC.

Claims (15)

  1. 공유결합된 아민 함유 형광 잔기 표지를 포함하는 처리제를 예정된 농도로 수역(the body of water)에 투여하는 단계; 표지 처리제를 함유하는 수역의 샘플을 제거하는 단계; 샘플중 처리제 농도의 척도로서 방사율을 분석하는 단계 및 분석 샘플이 예정된 농도로부터 농도 이탈을 나타내도록 처리제의 농도를 제어하는 단계를 포함하여, 물 재순환계 내의 순환 수역에 첨가된 처리제(당해 처리제는 입자의 스케일링, 부식 또는 침강을 억제함으로써 시스템내의 장치의 효율성을 향상시킨다)의 농도를 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 처리제는 펌프를 사용하여 예정된 속도로 공급하고 ; 방사율을 아날로그 시그날로 변환시키는 단계 및 아날로그 시그날을 이에 따라 펌프 속도를 제어하는 제어기에 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 처리제가 하기의 아민 그룹을 함유하는 유기 형광 분자인 유기 형광 유도체화제로 표지된 아크릴산을 함유하는 골격을 갖는 중합체인 방법.
    상기 식에서, F1중의 하나는 수소 또는 유기 형광 그룹이고, F2는 유기 형광 그룹이다.
  4. 제3항에 있어서, 유기 형광 유도체화제가 아미노 나프탈렌 설폰산 또는 이의 염인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  9. 공유결합된 아민 함유 형광 잔기 표지를 포함하는 예정된 농도의 처리제 및 별도로 시스템내에서 불활성인 불활성 형광 추적자를 처리제 농도와 동일한 농도로 수역에 투여하는 단계; 추적자 및 표지된 처리제가 첨가된 수역의 샘플을 제거하는 단계; 샘플중 이들 각각의 농도의 척도로서 첨가제의 방사율을 별도로 분석하는 단계 및 분석된 처리제와 추적자의 농도간의 차이를 처리제 소모에 상응하는 동일한 농도로부터의 이탈로서 결정하는 단계를 포함하여, 물 재순환계내에 포함된 순환수역에 첨가된 처리제(당해 처리제는 입자의 스케일링, 부식 또는 침강을 억제함으로써 시스템에서 장치의 효율성을 향상시킨다)의 소모량을 측정하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 이탈이 비정상인 경우, 처리제의 용량을 변경시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 처리제가 하기의 아민 그룹을 함유하는 유기 형광 분자인 유기 형광 유도체화제로 표지된 아크릴산을 함유하는 골격을 갖는 중합체인 방법.
    상기 식에서, F1중의 하나는 수소 또는 유기 형광 그룹이고, F2는 아미노 나프탈렌 설폰산 또는 이의 염인 유기 형광 유도체화제이다.
  12. 제9항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 순환수역이 방출 및 보충을 위해 장착된 냉각탑내에 포함되는 방법.
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