不同添加方式对添加剂强化吸收的影响

第34卷第1期大连海事大学学报Vol.34 No.12008年2月Jourmal of Dalian Maritime UniversityFeb.，2008文章编号: 106-7736(2008)01-0020-05不同添加方式对添加剂强化吸收的影响高洪涛(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连116026)摘要:为研究界面活性添加剂对吸收过程的强化作用,采用为提高吸收系统性能,改善吸收过程是十分重要的.分子中含5~10个碳原子的多种醇类物质作为添加剂进行在与吸收系统相关的研究中,关于传热传质添加剂静态池吸收实验.采用传统的液相添加、两种添加剂的液相的研究吸引了很多学者的注意.添加少量的添加剂，混合添加、吸收器中气相添加、蒸发器中气相添加及气、液相如10~量级的异辛醇或正辛醇,溴化锂溶液液膜侧同时添加等添加方式,测试了多种添加剂对澳化锂溶液吸收传热系数就可增加2~3倍.尽管添加剂对于传热传水蒸气的影响.实验结果表明,添加剂在不同添加方式下均.质的有效性已被证实,到目前为止还没有能被- -致能起到一定的强化吸收作用。关键词:液相添加剂;气相添加剂;强化吸收;传质;传热接受的机理解释"] .中图分类号:TB616文献标志码:A日本的柏木等[21、宝泽等引)]、飞原等'做了很多相关研究工作.柏木及其研究小组在静态池实验中Effects of different addition methods观察到了马兰戈尼对流,并提出其所谓“浮岛理论”,on additive absorption enhancement称其强化效果可增加2~3倍,并将其原因归于在静GAO Hong-tao态池表面可观察到的表面活性剂“岛”引起的表面张力不连续性引发的对流混合.宝泽等研究认为,活性(Colleae of Marine Engineering ,Dalian Maritime University, Dalian 116026 ,China)剂岛的存在并不是引发马兰戈尼对流的必要条件，Abstract: Various alcohols containing 5 ~ 10 carbon atoms were但作为在表面的活性剂储蓄站可在更长时间内提供selected as additives to study absorption enhancement of surfac-更显著的对流.对于这种增强的吸收率的解释,一种tant adtirisv in sagpant pol. Difret adtion mehods, in倾向认为表 面张力的降低有助于引发马兰戈尼对duding conventional liquid phase adion, compound liquid流 Moller等[53研究发现,在其实验质量分数范围内phase addtion of two addtives, vapor phase adition in absorb有 4种表面活性剂尽管可使水的表面张力降低至30er, vapor phase additioni in evaporator, and both vapor and liq-mN/m,但对吸收没有影响.美国学者Herold6]提出uid phase addition, were applied to analye the ffets of addit-其“气相表面活性剂理论”,该理论的提出基于3个ives on the absorption of water vapor into aqueous LiBr solution.不同的实验:竖直管吸收实验、竖直管水冷凝实验和Experimental results show that all the additives have certain ab-表面张力测量.Herold坚信添加剂作用的根本机理sorption enhancement function with different addition methods.Key words:liquid additive; vapor additive; absorption enhance-是通过蒸气传输到溶液表面.本文采用不同的添加ment; mass transfer; heat transfer方式测试添加剂的强化吸收效果,从实验的角度理解活性剂在强化吸收中的作用.)引言1实验装置及实验条件任何有利于提高吸收系统性能的方法对环境友静态池实验台由吸收器、蒸发器、恒温水槽好的吸收系统来说都是受欢迎的.在太阳能和其他(NCB- 2300,由日本东京理化器械株式会社生产)、可利用热能方面,吸收系统显示出很强的竞争能力.数据采集仪(MX100,由日本横河电机株式会社生.收稿日期2007-11-23.中国煤化工。基金项目:国家自然科学基金资助项目(50476038);教育部留学回印留[2005]383号);大连市留学回国人员科研基金项目(2004年).MYHCNMHG作者简介:高洪涛(1966- ),男,辽宁大连人,教授,E-mail:gaohongtaocn@yahoo. com. cn第1期高洪涛;不同添加方式对添加剂强化吸收的影响21产)以及动态测重仪(LMV-100,由日本共和电业力容器加工厂加工而成吸收器和蒸发器之间通过株式会社生产)、压力传感器(US 1000,由美国精量不锈钢软管连接并通过阀门来控制.吸收器和蒸发电子生产)、温度传感器[WRNK-192,由中国包头器通过不锈钢软管与一个真空泵相连,通过真空泵永华仪器公司生产,并配有5602型(美国福禄克)热对其抽真空以达到实验要求的压力条件.恒温水槽电阻的1502A(美国福禄克)测温仪校准]等测试器向蒸发器中的冷却盘管中提供温度恒定的循环冷水件和电脑组成装置简图如图1所示.其中吸收器和来控制蒸发器中的水及蒸汽的温度.实验装置中的蒸发器均为不锈钢材质,自行设计并由专业的压压力传感器、温度传感器和动态测重仪用来监测实P一数据采集仅一电脑]中验过程中的压力、水蒸气温度、溴化锂溶液温度以及吸收液质量等各参数的变化,输出的电压或电流信水蒸号通过数据采集仪采集并在计算机上显示和记录数. 动态利重仪①据.. 溴化锂溶液实验中使用的溴化锂水溶液由大连本庄化学有吸收器蒸发器限公司提供,初始成分如表1所示.实验中根据需⑥压力传感器①温度传感器广恒温水栖要,使用电热炉加热浓缩以及纯净水稀释的方法配圈1实验装置简圄制所需质量分数的溶液.表1实验用 LiBr水溶液成分w(LBr)LiOHw(钼酸锂)NHw(SO- )w(Q )Ca2+Mg2+漂浮物/(mol:L-1) /%(mg:L-1) _1% '/(mg'kg") /(mg*kg)0.0680.0144<0.16 .0.01实验用盛装溴化锂吸收液的为内径71.4mm7 mm.玻璃培养皿.静态池吸收实验初始条件为溶液温度实验用添加剂如表2所示.30C ,溶液w=60%,水蒸气温度5 C ,溶液深度表2实验用添加剂种类名称英文名称分子式相对分子质量20C 时相对密度沸点/C1-pentanolCH2088.150.824138.1异戊醇3-methyl-1-butanolC3H2O0.813叔戊醇2- methyl-2-butanolCH2O8.150.8084102 .仲戊醇2-pentanol0.81118~119正已醇1-hexanol102. 18，0.81361564.甲基2戊醇4-methyl-2-pentanolCH。O102.180.821322.乙基1.丁醇2-ethyl-1-butanol102. 181462.甲基2,4.戊二醇2-methyl-2 ,4-pentanediolCH4O2118. 170.9216198正庚醇1-heptanolC,H%O116. 20.0.81781762-庚醇2-heptanoC,HoO .117.200.8193160~1624.庚醇.4-heptanolCHeO116.20正辛醇1-octanolCgHgO130.230. 8270194.45异辛醇2-ethyl-1-hexanolCqHgO0.83 .185~1892-octanolCHgO0.835178~1792-乙基-1,3-己二醇2- ethy-1 ,3-hexanediolCgHgO2146.230.9422244.2壬醇1-nonanolC9H2O144.260. 8279215癸醇1-dacanolCoH2O158.280.8297232 ~239活性剂质量分数的影响,对于一种表面活性剂,存在2结果及分析-个效果最佳的质量分数.本研究中所采用的添加2.1传统液相添加静 态池吸收实验剂质量分数是在参照前期研究'基础上补充一些不在未加人活性剂的情况下,对w= 60%的溴化同质量分数的添加剂对比实验后确定的.传统液相锂溶液进行吸收水蒸气的实验.实验结果如图2所添加中国煤化工醇(2-methy.2,4-示，三次实验的结果均表现出良好的一致性.此时在penta|YHC N M H G(2-ethyl-1,3-hex-溶液表面没有观察到对流现象.anedio) ,没有测试出其最佳质量分数,虽然在增大表面活性剂对溴化锂吸收水溶液的强化作用受质量分数时有对流产生,但是在很高的质量分数下22大连海事大学学报第34卷0.3厂仍然没有得到较好的吸收效果,故认为这两种物质不适合在传统液相添加条件下作为强化吸收的添加0.2 t剂.液相添加方式进行的静态池吸收实验表明,某。数据1曾0.1口数据2些添加剂的强化效果比现有溴化锂吸收式制冷系统o数据3中普遍使用的异辛醇(-tyl-1-hexanol,2EH)强化50效果更好.表3为添加剂以最佳质量分数添加时,溴化锂溶液60 s内吸收水蒸气质量的比较.围2 w= 60%澳化锂溶液吸收水蒸气t0.60 M(2-乙7丁17-2010*间)0.60「●明(正戊醇)-20010+ (6)0.50(4:类解卢骤90.50-.叫(权成)-20040.x0.40 ts 0.300.30-0.20 t.正2酌)=200x10。窗0.20 |: W(辛醉)-5040 6●w(4-甲基-2戊醇)-400x0。m(2-火醇) 30020 +0.10+(异辛9)-5040*.叭癸醇)-5080→0601/s12080t/sT8o图3传统液相添加的吸收效果表3溴化锂溶液60s内吸收水蒸气质量比较液吸收水蒸气的能力增强,强化效果与其中单独添添加剂添加剂质量分数60 s吸收水蒸气加较好者相近./10质量(g0.6 r2-thyl-1-hexanol0.362-octanol0.391-pentanol20000.4-2-pentanol6004-heptanol1500.41。w(LiBr)60%+w(正己醇)20040+w(异辛醉9 )S0x0。1-dacanol0.430 w(LiBr)60%+w(正己醇)200140。1octanolsoO w(LiBr)60%tn(异辛醉)5040。2-thyl-1-butanol0.442-hepanol3000.451-nonand團4正己醇与昪辛醇混合添加 与单独添加的比较I-heptanl0.462.3气相添加实验2.2两种添 加剂液相混合添加实验气相表面活性剂理论[()提出后得到了很多学者关于界面活性剂对溴化锂溶液吸收水蒸气的强的实验证实[8] .本实验对表2中的各醇类物质进行化作用的研究,目前主要是针对单个添加剂开展的.了气相添加的吸收实验.实验分为两部分:添加剂吸而将两种有效的添加剂同时添加至溴化锂溶液中则收器中室温蒸发的气相添加实验和添加剂蒸发器中是从一个新的角度来研究界面活性剂的强化吸收作低温蒸发的气相添加实验.用.采用静态池吸收实验装置,测试活性剂单独添加2.3.1吸收器 中气相添加实验及混合添加时对溴化锂溶液吸收水蒸气的影响，通将盛有添加剂的培养皿放入吸收器中,使添加过对不同添加方式下吸收效果的对比来探寻活性剂剂在室温下蒸发.实验开始时,吸收器中添加剂蒸气之间的促进或者抑制作用.具有较高的质量分数(添加剂蒸气的压力接近其室选取正辛醇(1-octanol) .异辛醇(2EH)、仲辛醇温下的饱和压力).实验的结果如图5所示.(2-octano)以及正己醇(1-hexanol)进行混合添加实醇类中国煤化工上碳原子的几种验,分别取其中的两种物质以不同的组合混合添加.0HC N M H GL看出,除仲辛醇图4给出正已醇与异辛醇混合添加与单独添加的比外 ,其他李加剂都具有很好的李加效果,特别是异辛较.可以看出,两种添加剂加入到溴化锂溶液后,溶醇和2-乙基-1, 3.已二醇(2 ehy.1, 3-exeio),，第1期高洪涛:不同添加方式对添加剂强化吸收的影响230.60 [间)_正已醇(6)0.50.50| : 4年5-2-戊醇.将茂醇80.40 tg0.40圣0.30 I警0.30-0.20异辛醇●正辛醇中辛醇 m 2-乙基1,3-已二酶2-乙基丁醇0.10●壬醇●正癸醉1-庚醇● 2-庚醇异戊醇/s 120601s120T80图5吸收 器中气相添加效果其气相添加的效果要明显好于液相添加的效果.图低,添加剂的气相质量分数降低,其对吸收的强化效5(b)中显示分子中含5.6个碳原子的几种添加剂气果也因而减弱.对于正癸醇,两种条件下的强化效果相添加时的吸收效果,其中己二醇(2-methyl-2,4-基本相同,出现这种情况的原因可能是因为正癸醇pentanedio)的气相添加效果远远好于其液相添加在室温下的蒸汽压力本来就很低,低温条件下的温的效果,这种效果的增强与2-乙基-1,3-己二醇有着度降低对其蒸汽压力的影响很小.相似之处,而此两种物质的分子结构也与其他的醇另外,在正癸醇蒸发器蒸发的气相添加实验中，类添加剂有不同之处，即分子中含有两个氧原子二当添加正癸醇的量较少时,在水面漂浮的添加剂的元醇,可能正是这种分子结构的差异决定了其强化面 积较小，此时所产生的强化效果很弱.增加添加剂效果的特殊性.图5(b)除正已醇外,气相添加时的后,水面有大面积的油状正癸醇漂浮,吸收效果较吸收效果都比液相添加时有所减弱,由此推断:对于好.两种情况下实验结果如图7所示.同样的情况在实验所选的醇类物质,作为气相表面活性剂时,含碳异辛醇的蒸发器添加实验中也出现过由此可见,添原子数多的醇类物质比含碳原子少的物质具有更好加剂在冷 剂水中的蒸发情况对添加剂在吸收器中的的强化效果.气相质量分数有着重要的影响,从而对气相添加的2.3.2蒸发器中气相添加实验效果产生影响.选取一些添加剂,将其放人蒸发器中,使其在低0.60温下和水一起蒸发并随水蒸气一起流动进入吸收器,测试其对溴化锂吸收水蒸气的影响,从而进-步验证气相活性剂理论.实验结果如图6所示,可以看s 0.30出,添加剂随冷剂水低温蒸发的情况下仍然可以获◆低添加敏得很好的强化效果.这说明在吸收式制冷机中,添加口高添加量剂蒸汽随着冷剂水蒸气共同向液膜流动，以气相的方式作用于液膜表面,从而强化了传热和传质.1/s图7正癸醇添加不同时,蒸发器中添加强化效果2.4气液两相添加实验实验中把添加剂以液相和气相两种形式同时添0.30加,进行静态池吸收实验,即按照液相添加的步骤在溴化锂吸收液中添加最佳质量分数的液相添加剂，“0.20x正辛醇同时把添加剂放人吸收器中使其在室温下蒸发进行。仲戊醇口异辛醇▲2-乙基丁醇 +正癸醇气相添加.不同添加方式下60 s内吸收水蒸气量结180t/s果见表4.围6蒸发器中气相添加效果由表4可见:各种添加剂以液相和气相两种形由图6可以看出,除正癸醇外,其他添加剂低温式同中国煤化工目添加时的效果接蒸发时的强化效果比室温蒸发情况下有所减弱.这近MYHCN MH Q要比气相添加的说明- -种添加剂的强化效果会受到其蒸汽质量分数效果略为喊羽.的影响,在较低的蒸发温度下添加剂的蒸汽压力较24大连海事大学学报第34卷表4各添加剂在不同添加方式 下强化效果对比及波动的强弱有着必然的联系.在静态池实验中有添加剂添加方式和条件60s吸收水蒸气很多添加剂强化效果较常用的2-ethyl-1-hexanol更质量/g好.两种添加剂混合添加实验结果表明,混合添加对No aditive.12Liquid (200x 10 6)吸收的强化效果只能达到效果较好的-种添加剂单Vapor0:391-pentanodr + Liquid (200x 0:37独添加时的效果.气相添加实验表明,添加剂仅以气Liquid (600x 10-*)态形式作用于溴化锂溶液表面时同样可以对溶液吸2-pentanolVep+ Liqid (600x0.9收水蒸气产生显著的强化作用,并且强化效果与添10-6)Liquid (200x 10-*)加剂气相质量分数密切相关.1-hexanolVa+ Ligid (200x 8:44气、液相混合添加实验表明,当添加剂以气相和10-0)液相同时存在并且气相质量分数适当时,气相添加(200x10~*)2-ethy-1-butanolVapor + Liqud (200 x剂起主导作用.但如果气相质量分数不高,其作用会减弱,甚至液相添加剂起主要作用.因此,究竟是气iquid (800x 10-6)相还是液相添加剂起主导作用,取决于其气相质量2-methyl-2.4-pentandiod Vapor + Liquid (800x 0.分数.iquid (200x10~*>)参考文献(References):1-hepanolVapor + Liquid (200x 0.47[1]KOENIG M s, GROSSMAN G, GOMMED K. 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