一种基于离子液的热交换介质及其制备方法和应用与流程

本发明属于钻井液，具体涉及一种基于离子液的热交换介质及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，在深井钻井过程中，井底温度高，一般都超过150℃，有时甚至超过180℃，对井底仪器，特别是旋转导向等精密仪器产生较大影响，这些仪器的内部电子元器件较多，对温度敏感度极强，长时间处于高温环境会出现失效现象，这时候需要起钻更换钻具，损失钻时，由于这些高端仪器的日费很高，损失巨大；同时，钻井液中的处理剂也同样会经受长时间高温考验，在高温下会发生严重降解或其他反应，从而导致钻井液性能恶化。如何有效降低钻井液循环温度是当前需要解决的难题。而且，目前，循环出地面的钻井液，温度在80℃以上，在地面系统循环中，热量会自然损耗到环境中，从而增加井场周边温度，这不利于减少室温效应。目前尚无对钻井液余热进行利用的报道。

2、目前的余热利用主要集中在热废气的利用和回收上，包括高温废气余热、高温炉渣余热、高温流体余热等。余热发电技术属于温差热发电技术，主要利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工质作为循环介质，用高温热源加入使其蒸发进行做功发电，发电后将工质导入冷凝器，冷却后回到交换区，继续下一个循环，该过程称为朗肯循环。

3、目前所用的工质主要为氟利昂，该产品对大气有一定的污染，特别是对臭氧层，影响更大，目前多数国家禁用。为此，人们开始开发新型热交换介质，如1,1,2,2-四氟乙烷等，制冷系数达到3.84，属于一种无毒、不能燃烧制剂，对臭氧没有破坏。但是这种制剂蒸发点较低，其沸点只有-23℃，熔点-89℃。由于出口钻井液温度较高(超过80℃)，需要适应钻井液温度且可调节的热交换介质。

4、如专利201410662295.9涉及一种钻井液，该钻井液包含含杂环离子液体。与现有的钻井液相比，本发明的包含该离子液体的钻井液具有提高的高温抑制性，同时滤失量降低且不影响体系流变性的钻井液。又如专利201510411687.2公开了一种钻井液以及咪唑类离子液体。烷基-3-甲基咪唑氟硼酸盐在钻井液中的应用，主要用于提高钻井液的高温流变性。二者均没有涉及到在热交换介质。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决较高温条件下，常规热交换介质热容较低，吸热不足以及容易导致热转换效率过低的缺陷。通过利用四卤代乙烷与离子液体相作用，提高其沸点和热容，同时与卤化锂相结合，进一步提高转换介质的热容，从而提高体系的热转换效率。

2、第一方面，本发明提出了一种基于离子液的热交换介质，该热交换介质按质量百分比计，包括：35％～45％离子液体、50％～60％四卤代乙烷、5％～10％卤化锂。

3、作为本发明的具体实施方式，所述离子液体为卤化1-丁基-3甲基咪唑；所述卤化1-丁基-3甲基咪唑优选为氯化1-丁基-3甲基咪唑、溴化1-丁基-3甲基咪唑和氟化1-丁基-3甲基咪唑中的一种。

4、作为本发明的具体实施方式，所述四卤代乙烷为四氯代乙烷、四溴代乙烷、四氟代乙烷中的一种或任意两种组合；优选地，四氯代乙烷为chcl2-chcl2和ccl3-ch2cl一种或两种组合；四溴代乙烷包括chbr2-chbr2和cbr3-ch2br一种或两种组合；四氟代乙烷包括chf2-chf2和cf3-ch2f一种或两种组合。

5、作为本发明的具体实施方式，所述卤化锂为氯化锂、溴化锂、氟化锂的一种或任意两种组合。

6、作为本发明的具体实施方式，所述离子液体的制备原料包括n-甲基咪唑和卤代丁烷；所述n-甲基咪唑和卤代丁烷的摩尔比为1：(0.5-2)，优选地，摩尔比为1:1。

7、作为本发明的具体实施方式，所述离子液体制备方法包括：n-甲基咪唑和卤代丁烷在微波的作用下反应得到。

8、作为本发明的具体实施方式，所述反应条件包括：微波功率为200w～600w，反应温度为40℃～70℃，反应时间为20min～40min。

9、示例性地，离子液体的制备包括如下步骤：

10、1)在装有回流装置、滴液漏斗和搅拌棒的圆底烧瓶中加入200g～600g的n-甲基咪唑；

11、2)按照摩尔比1:1的量缓慢滴加卤代丁烷，将该反应装置安装到微波辅助合成装置中；

12、3)将微波功率调节为200w～600w，反应温度调节为40℃～70℃，微波反应20min～40min；

13、4)反应结束后，获得的粘稠透明液体即为离子液体。

14、作为本发明的具体实施方式，所述卤代丁烷为氯代丁烷、溴代丁烷和氟代丁烷中的一种或任意两种组合；优选地，所述氯代丁烷包括ch3ch2ch2ch2cl和ch3ch2ch2chcl2至少一种；所述溴代丁烷包括ch3ch2ch2ch2br和ch3ch2ch2chbr2至少一种；所述氟代丁烷包括ch3ch2ch2ch2f和ch3ch2ch2chf2至少一种。

15、第二方面，本发明提供了第一方面所述的基于离子液的热交换介质的制备方法，包括以下步骤：

16、s1：将离子液体和四卤代乙烷混合，得到第一混合物；

17、s2：向步骤s1得到的第一混合物中加入卤化锂混合均匀，冷却得到白色粘稠状液体即为基于离子液的热交换介质。

18、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，混合条件包括：温度为60℃～80℃，搅拌速率为200rpm～500rpm，搅拌时间为30min～60min。

19、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，所述离子液体为卤化1-丁基-3甲基咪唑；所述卤化1-丁基-3甲基咪唑优选为氯化1-丁基-3甲基咪唑、溴化1-丁基-3甲基咪唑和氟化1-丁基-3甲基咪唑中的一种。

20、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s1中，所述四卤代乙烷为四氯代乙烷、四溴代乙烷、四氟代乙烷中的一种或任意两种组合；优选地，四氯代乙烷为chcl2-chcl2和ccl3-ch2cl一种或两种组合；四溴代乙烷包括chbr2-chbr2和cbr3-ch2br一种或两种组合；四氟代乙烷包括chf2-chf2和cf3-ch2f一种或两种组合。

21、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2中，混合条件包括：温度为60℃～80℃，搅拌速率为1000rpm～2000rpm，搅拌时间为30min～50min；所述冷却为室温。

22、作为本发明的具体实施方式，所述步骤s2中，所述卤化锂为氯化锂、溴化锂、氟化锂的一种或任意两种组合。

23、示例性地，热交换介质的制备方法包括如下步骤：

24、1：在装有回流装置、滴液漏斗和搅拌棒的圆底烧瓶中加入200g～500g离子液体，将温度升高至60℃～80℃，缓慢滴加300g～600g四卤代乙烷，以200rpm～500rpm速度搅拌30min～60min溶解；

25、2：将反应温度升高至60℃～80℃，快速加入30g～80g卤化锂，并将搅拌速度迅速升高至1000rpm～2000rpm，继续搅拌30min～50min；

26、3：混合均匀后，将温度快速冷却至室温，获得的白色粘稠状液体即为基于离子液的热交换介质。

27、本发明中的上述原料均可自制，也可商购获得，本发明对此不作特别限定。

28、第三方面，本发明提供了第一方面所述的热交换介质或第二方面所述的制备方法制得的热交换介质在低温余热发电系统领域中的应用。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

30、1、本发明的基于离子液的热交换介质，通过四卤代乙烷与离子液体相互作用，提高了四卤代乙烷的沸点和热容。

31、2、本发明的基于离子液的热交换介质，通过同源卤离子的亲和作用，将四卤代乙烷、卤根离子液以及卤化锂紧密结合，进一步提高整个体系的热容，在供热介质一定的条件下，可显著提高体系的热转换效率。