Этиленгликоль — это двухатомный спирт, бесцветная вязкая жидкость без запаха со сладковатым вкусом. Он смешивается с водой в любой пропорции и понижает температуру замерзания смеси, на чем и держится его главное применение: антифризы и работа в качестве теплоносителя в контурах охлаждения. Ниже разобраны физические и химические свойства, крепость под нужный режим, токсичность, совместимость с материалами, старение и утилизация. Устройство самого контура описано в статье «Гликолевая система охлаждения», здесь речь о веществе.
Что такое этиленгликоль: химическая формула и физические свойства
Этиленгликоль (этандиол-1,2, моноэтиленгликоль, МЭГ) — простейший из гликолей, органическое соединение с двумя гидроксильными группами. Химическая формула C2H6O2, структурная HO–CH2–CH2–OH. Впервые вещество получил французский химик Вюрц в 1859 году, а массовым продуктом оно стало в XX веке вместе с автомобилем.
Внешне это прозрачный сироп, маслянистый на ощупь. Вещество гигроскопично. Открытая тара тянет влагу из воздуха, и крепость концентрата за сезон хранения падает. Основные физические свойства сведены в таблицу.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Молярная масса | 62,07 г/моль |
| Плотность при 20 °C | 1,113 г/см³ |
| Температура кипения | 197,3 °C |
| Температура плавления чистого вещества | минус 12,9 °C |
| Вязкость при 20 °C | около 16 мПа·с, в 16 раз выше воды |
| Температура вспышки | 111 °C |
| Растворимость | растворяется в воде и спиртах в любом соотношении |
Химические свойства определяют те же две гидроксильные группы, поэтому этиленгликоль вступает в реакции этерификации, окисления и дегидратации. Окисление идет через гликолевый альдегид до гликолевой и щавелевой кислоты. Это объясняет и токсичность вещества, и старение заправки в контуре. Те же кислоты образуются в трубах при контакте с воздухом и перегреве.
Как получают этиленгликоль и что задает ГОСТ 19710-2019
Получение этиленгликоля в промышленности идет из этилена в две стадии. Сначала этилен окисляют до оксида этилена, затем оксид гидратируют водой либо при 10 атм и 190–200 °C без катализатора, либо при атмосферном давлении и 50–100 °C в присутствии 0,1–0,5 % серной или ортофосфорной кислоты. Побочно образуются диэтиленгликоль и триэтиленгликоль, их отделяют ректификацией. Мировое производство еще в 2010 году превысило 20 млн тонн.
Сырьем служит нефтехимический этилен, поэтому продукт синтетический, и качество партии задает стандарт. По ГОСТ 19710-2019 технический этиленгликоль выпускают двух сортов, у высшего массовая доля основного вещества не ниже 99,8 %. Для контура разница между сортами не критична. А вот вода и диэтиленгликоль в составе концентрата влияют на расчет крепости. 95-процентный «концентрат» от 99,8-процентного отличается заметно, и пропорцию считают по паспорту партии, а не по этикетке.
Сферы применения этиленгликоля в промышленности
Применение этиленгликоля шире, чем принято думать по слову «антифриз». Около 60 % мирового потребления уходит в производство антифризов и охлаждающих жидкостей для автомобилей, остальное делят четыре направления в разных отраслях промышленности. Общее у них одно. Везде работают либо низкая точка кристаллизации водного раствора, либо две реакционноспособные гидроксильные группы.
- Полиэфиры. Этиленгликоль вместе с терефталевой кислотой дает полиэтилентерефталат — ПЭТ, из которого делают бутылки и волокно. Второй по объему потребитель после автопрома.
- Теплоноситель. Водный раствор заливают в контуры чиллеров, фанкойлов, вентиляционных калориферов, в системах отопления с зимней консервацией и в кольцах фрикулинга ЦОД.
- Газовая отрасль. Гликоль подают в скважины и трубопроводы как ингибитор образования гидрата метана, а триэтиленгликоль осушает природный газ.
- Химическая промышленность. Растворитель в органическом синтезе, сырье для полиуретанов, целлофана и взрывчатых веществ.
Автомобильный антифриз и промышленная заправка — разные продукты при одной основе. В жидкости для двигателя пакет присадок рассчитан на алюминий и нагрев выше 100 °C, в промышленной он рассчитан на стальные трубы, медные теплообменники и режим от минус 30 до плюс 90 °C. Заливать «Тосол» в чиллер не стоит. Силикатные присадки автомарок обволакивают пластины теплообменника гелем и снижают теплосъем. Сравнение гликоля с водой в контуре дано в материале «Антифриз или вода в контуре чиллера».
Теплоноситель этиленгликоль: концентрация и температура замерзания
Крепость назначают по самой холодной точке контура с запасом не менее 3 °C, а на практике 5–7 °C. Рабочий диапазон концентрации — от 25 до 60 % по объему. Ниже 25 % не хватает ингибиторов коррозии, ниже 20 % заправку заселяют бактерии. Выше 60 % вязкость растет быстрее, чем падает точка кристаллизации, и насос с теплообменником перестают справляться.
| Доля этиленгликоля по объему | Начало кристаллизации | Что это значит для контура |
|---|---|---|
| 25 % | около минус 11 °C | минимум, при котором работают присадки |
| 30 % | около минус 15 °C | вентиляция и наружные трассы в мягком климате |
| 40 % | около минус 24 °C | типовая крепость для чиллеров с минусовым режимом |
| 50 % | около минус 37 °C | теплоемкость 3,1–3,3 кДж/(кг·К), три четверти от воды |
| 60 % | около минус 45 °C | верхний предел, дальше вязкость съедает теплосъем |
Чистый этиленгликоль замерзает уже при минус 12,9 °C, так что концентрат без воды в контур не заливают. Защиту дает именно смесь. Есть и вторая тонкость. Ниже точки кристаллизации раствор не превращается в лед, а густеет в кашу из кристаллов и незамерзшей части. Такая каша не прокачивается, но трубы не рвет, и законсервированному на зиму контуру хватает 30–35 %, тогда как работающему на морозе нужны все 40–50 %.
За защиту от мороза платят гидравликой. Сорокапроцентный раствор при плюс 4 °C в два с половиной или три раза вязче воды. Насосу нужен больший напор, теплообменнику — большая поверхность. Гидравлический расчет и холодопроизводительность считают с поправкой на гликоль, а не берут из каталога по воде. Порядок расчета описан в статье «Как подобрать чиллер».
Токсичность этиленгликоля: класс опасности и где его нельзя
Этиленгликоль ядовит при попадании внутрь и относится к третьему классу опасности по ГОСТ 12.1.007. Смертельная доза для взрослого — 100–300 мл, то есть 1,5–5 мл на килограмм массы тела. Вкус и отсутствие запаха не предупреждают об ошибке. Симптомы приходят с задержкой, потому что в организме вещество окисляется до гликолевой и щавелевой кислоты, а соли последней закупоривают почечные канальцы.
Пары менее опасны, потому что этиленгликоль малолетуч. ПДК в воздухе рабочей зоны 5 мг/м³, и в холодном помещении она не достигается. Через неповрежденную кожу вещество проникает медленно, но проникает. Отсюда меры безопасности при заправке и обслуживании.
- Работать в резиновых перчатках и защитных очках, при переливе больших объемов — в фартуке.
- Не переливать концентрат в тару из-под пищевых продуктов и не хранить рядом с ними.
- Пролитое засыпать песком или опилками и убрать в отдельный контейнер, а не смывать в канализацию.
- При проглатывании сразу вызывать скорую, потому что противоядие вводят в первые часы.
Там, где утечка через стенку теплообменника может попасть в продукт, этиленгликоль запрещен независимо от концентрации. Молочные и напиточные линии, пивоварни, фармацевтика и косметика работают на пропиленгликоле — пищевой добавке E1520.
Как устроен холод на таких площадках, разобрано в статье «Холодоснабжение пищевого производства». Отдельно про пивоварни — на странице услуги «Чиллер для пивоварни».
Совместимость этиленгликоля с материалами контура
Ингибированный этиленгликоль совместим с углеродистой сталью, чугуном, медью, латунью, бронзой, припоем и большинством пластиковых труб. Проблемы дают два металла. Оцинкованная сталь в гликолевых контурах не рекомендуется. Цинк реагирует с пакетом ингибиторов, выпадает осадок, присадки вырабатываются, а защитное покрытие сходит с трубы, особенно выше 38 °C. Алюминий допускается только при нагреве ниже 66 °C.
Уплотнения выбирают из EPDM или силикона, обычная резина набухает и течет. Расширительный бак берут с запасом, потому что у гликолевой заправки коэффициент теплового расширения выше, чем у воды. И еще одно свойство ловит монтажников. За счет низкого поверхностного натяжения гликоль находит течи там, где вода держалась. Соединения, прошедшие опрессовку водой, после заправки протягивают повторно.
Как этиленгликоль стареет и как его контролировать
Заправка не вечна. Все гликоли при контакте с кислородом и перегреве окисляются до органических кислот, кислоты снижают pH и запускают коррозию. Ингибиторы нейтрализуют их, но запас присадок конечен. Первый признак старения — падение pH. Рабочий диапазон 8–10, при 7–8 добавляют щелочной корректор, ниже 7 заправку меняют целиком.
Второй признак — цвет и запах. Потемнение, муть, запах горелого сахара говорят о перегреве и разложении. Третий признак заметен по рефрактометру, это падение крепости от подпитки водой. Каждый долив из крана поднимает точку кристаллизации всего контура. Регламент замеров рефрактометром и pH-тестером расписан в статье о гликолевой системе, а сами работы входят в техническое обслуживание чиллеров.
Срок службы зависит от нагрева и доступа воздуха. В закрытом контуре без перегрева ингибированный раствор работает годами, в открытом баке с подпиткой один-два сезона. Подбор состава и расчет под конкретное оборудование — часть услуги «Охлаждение производственного оборудования».
Утилизация отработанного этиленгликоля
Слитая заправка — опасный отход, а не техническая вода. В канализацию и на грунт ее не сливают. Помимо токсичности самого гликоля, отработанный раствор несет продукты коррозии, выработанные присадки и следы масла. Отход передают организации с разрешением на обращение с такими отходами, с оформлением акта.
Есть и второй путь — регенерация. Отработанную смесь фильтруют, отгоняют воду и кислоты, восстанавливают пакет присадок и возвращают в оборот. Для крупных контуров на тонны заправки это дешевле нового концентрата и снимает вопрос вывоза. Но решение принимают по анализу пробы. Потемневший от перегрева гликоль с большим количеством продуктов разложения восстановлению не подлежит.
Частые вопросы
Можно ли использовать этиленгликоль в системе отопления?
В закрытых промышленных системах отопления и в контурах с зимней консервацией — да, на ингибированном растворе 30–40 %. В жилых домах с двухконтурным котлом и там, где теплообменник горячей воды имеет одну стенку, нельзя. Утечка попадет в водопровод. Для таких объектов берут пропиленгликоль, а производители котлов прописывают допустимые составы в паспорте.
Чем этиленгликоль отличается от пропиленгликоля?
Оба относятся к гликолям и оба понижают точку замерзания воды. Этиленгликоль дешевле, жиже и лучше отводит тепло, но ядовит. Пропиленгликоль безопасен для человека и допущен в пищевую отрасль, зато вязче в полтора-два раза и дороже. На глаз их не отличить, оба бесцветные и сладковатые. Разницу покажет только плотность или паспорт партии.
С какими веществами реагирует этиленгликоль?
Как спирт он реагирует с кислотами с образованием эфиров, с сильными окислителями вплоть до воспламенения, а с щелочными металлами выделяет водород. В контуре важнее другое: гликоль вступает в реакцию с цинком оцинкованных труб и постепенно окисляется кислородом воздуха до кислот. Поэтому контур держат закрытым, а расширительный бак — мембранным.
Почему этиленгликоль ядовит, если сам спирт почти безвреден?
Опасен не сам этиленгликоль, а то, во что его превращает печень. Гликолевая кислота вызывает ацидоз, щавелевая связывает кальций, и кристаллы оксалата кальция оседают в почках. Именно поэтому антидотом служат вещества, блокирующие фермент окисления, а помощь нужна в первые часы, пока распад не пошел.
Какой гликоль выбрать для чиллера на пищевом производстве?
Только пропиленгликоль, даже если контур формально не касается продукта. Инспекция и аудиторы торговых сетей смотрят на заправку как на потенциальный контаминант, и этиленгликоль в машинном отделении становится замечанием в акте. Разница в цене двух гликолей на фоне стоимости линии несущественна.
Подобрать крепость под температурный режим, посчитать поправку на гликоль в мощности чиллера и организовать контроль заправки на объекте поможем. Мы проектируем, монтируем и обслуживаем промышленный холод с 1996 года.
