表面活性剂强化吸收过程的实验研究

表面活性剂强化吸收过程的实验研究

0添加剂作用的根本机理任何提高吸收系统性能的方法都对环境友好的吸收系统非常受欢迎。在能量寿命等其他可用能量方面，吸收系统显示出较强的生产能力。为了提高吸收系统的性能，提高吸收过程非常重要。在研究吸收系统时，关于表面传统材料的研究引起了许多科学家的注意。添加少量添加剂，如10-4级异戊醇或正丁醇，或溴化钛溶液的侧传统系数可增加2.3倍。虽然添加剂的传统传统有效性已经得到证实，但尚未对其进行充分接受的机理解释。日本的柏木等、宝泽等、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观察到了马兰戈尼对流,并提出其所谓“浮岛理论”,称其强化效果可增加2~3倍,并将其原因归于在静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,活性剂岛的存在并不是引发马兰戈尼对流的必要条件,但作为在表面的活性剂储蓄站可在更长时间内提供更显著的对流.对于这种增强的吸收率的解释,一种倾向认为表面张力的降低有助于引发马兰戈尼对流.Mo¨o¨ller等研究发现,在其实验质量分数范围内有4种表面活性剂尽管可使水的表面张力降低至30mN/m,但对吸收没有影响.美国学者Herold提出其“气相表面活性剂理论”,该理论的提出基于3个不同的实验:竖直管吸收实验、竖直管水冷凝实验和表面张力测量.Herold坚信添加剂作用的根本机理是通过蒸气传输到溶液表面.本文采用不同的添加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.1实验装置和设备静态池实验台由吸收器、蒸发器、恒温水槽(NCB-2300,由日本东京理化器械株式会社生产)、数据采集仪(MX100,由日本横河电机株式会社生产)以及动态测重仪(LMV-100,由日本共和电业株式会社生产)、压力传感器(US10000,由美国精量电子生产)、温度传感器[WRNK-192,由中国包头永华仪器公司生产,并配有5602型(美国福禄克)热电阻的1502A(美国福禄克)测温仪校准]等测试器件和电脑组成.装置简图如图1所示.其中吸收器和蒸发器均为不锈钢材质,自行设计并由专业的压力容器加工厂加工而成.吸收器和蒸发器之间通过不锈钢软管连接并通过阀门来控制.吸收器和蒸发器通过不锈钢软管与一个真空泵相连,通过真空泵对其抽真空以达到实验要求的压力条件.恒温水槽向蒸发器中的冷却盘管中提供温度恒定的循环冷水来控制蒸发器中的水及蒸汽的温度.实验装置中的压力传感器、温度传感器和动态测重仪用来监测实验过程中的压力、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号通过数据采集仪采集并在计算机上显示和记录数据.实验中使用的溴化锂水溶液由大连本庄化学有限公司提供,初始成分如表1所示.实验中根据需要,使用电热炉加热浓缩以及纯净水稀释的方法配制所需质量分数的溶液.实验用盛装溴化锂吸收液的为内径71.4mm玻璃培养皿.静态池吸收实验初始条件为溶液温度30℃,溶液w=60%,水蒸气温度5℃,溶液深度7mm.实验用添加剂如表2所示.2结果和分析2.1添加剂最佳质量分数的确定在未加入活性剂的情况下,对w=60%的溴化锂溶液进行吸收水蒸气的实验.实验结果如图2所示,三次实验的结果均表现出良好的一致性.此时在溶液表面没有观察到对流现象.表面活性剂对溴化锂吸收水溶液的强化作用受活性剂质量分数的影响,对于一种表面活性剂,存在一个效果最佳的质量分数.本研究中所采用的添加剂质量分数是在参照前期研究基础上补充一些不同质量分数的添加剂对比实验后确定的.传统液相添加效果如图3所示.对于己二醇(2-methyl-2,4-pentanediol)和2-乙基-1,3-己二醇(2-ethyl-1,3-hexanediol),没有测试出其最佳质量分数,虽然在增大质量分数时有对流产生,但是在很高的质量分数下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剂.液相添加方式进行的静态池吸收实验表明,某些添加剂的强化效果比现有溴化锂吸收式制冷系统中普遍使用的异辛醇(2-ethyl-1-hexanol,2EH)强化效果更好.表3为添加剂以最佳质量分数添加时,溴化锂溶液60s内吸收水蒸气质量的比较.2.2混合添加剂对溴化锂溶液吸收效率实验结果关于界面活性剂对溴化锂溶液吸收水蒸气的强化作用的研究,目前主要是针对单个添加剂开展的.而将两种有效的添加剂同时添加至溴化锂溶液中则是从一个新的角度来研究界面活性剂的强化吸收作用.采用静态池吸收实验装置,测试活性剂单独添加及混合添加时对溴化锂溶液吸收水蒸气的影响,通过对不同添加方式下吸收效果的对比来探寻活性剂之间的促进或者抑制作用.选取正辛醇(1-octanol)、异辛醇(2EH)、仲辛醇(2-octanol)以及正己醇(1-hexanol)进行混合添加实验,分别取其中的两种物质以不同的组合混合添加.图4给出正己醇与异辛醇混合添加与单独添加的比较.可以看出,两种添加剂加入到溴化锂溶液后,溶液吸收水蒸气的能力增强,强化效果与其中单独添加较好者相近.2.3气相添加实验气相表面活性剂理论提出后得到了很多学者的实验证实.本实验对表2中的各醇类物质进行了气相添加的吸收实验.实验分为两部分:添加剂吸收器中室温蒸发的气相添加实验和添加剂蒸发器中低温蒸发的气相添加实验.2.3.1碳原子添加量对分离效果的影响将盛有添加剂的培养皿放入吸收器中,使添加剂在室温下蒸发.实验开始时,吸收器中添加剂蒸气具有较高的质量分数(添加剂蒸气的压力接近其室温下的饱和压力).实验的结果如图5所示.图5(a)中显示分子中含7个以上碳原子的几种醇类物质的气相添加强化效果.可以看出,除仲辛醇外,其他添加剂都具有很好的添加效果,特别是异辛醇和2-乙基-1,3-己二醇(2-ethyl-1,3-hexanediol),其气相添加的效果要明显好于液相添加的效果.图5(b)中显示分子中含5、6个碳原子的几种添加剂气相添加时的吸收效果,其中己二醇(2-methyl-2,4-pentanediol)的气相添加效果远远好于其液相添加的效果,这种效果的增强与2-乙基-1,3-己二醇有着相似之处,而此两种物质的分子结构也与其他的醇类添加剂有不同之处,即分子中含有两个氧原子二元醇,可能正是这种分子结构的差异决定了其强化效果的特殊性.图5(b)除正己醇外,气相添加时的吸收效果都比液相添加时有所减弱,由此推断:对于实验所选的醇类物质,作为气相表面活性剂时,含碳原子数多的醇类物质比含碳原子少的物质具有更好的强化效果.2.3.2其他添加剂在冷剂水中的蒸发选取一些添加剂,将其放入蒸发器中,使其在低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,从而进一步验证气相活性剂理论.实验结果如图6所示,可以看出,添加剂随冷剂水低温蒸发的情况下仍然可以获得很好的强化效果.这说明在吸收式制冷机中,添加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.由图6可以看出,除正癸醇外,其他添加剂低温蒸发时的强化效果比室温蒸发情况下有所减弱.这说明一种添加剂的强化效果会受到其蒸汽质量分数的影响,在较低的蒸发温度下添加剂的蒸汽压力较低,添加剂的气相质量分数降低,其对吸收的强化效果也因而减弱.对于正癸醇,两种条件下的强化效果基本相同,出现这种情况的原因可能是因为正癸醇在室温下的蒸汽压力本来就很低,低温条件下的温度降低对其蒸汽压力的影响很小.另外,在正癸醇蒸发器蒸发的气相添加实验中,当添加正癸醇的量较少时,在水面漂浮的添加剂的面积较小,此时所产生的强化效果很弱.增加添加剂后,水面有大面积的油状正癸醇漂浮,吸收效果较好.两种情况下实验结果如图7所示.同样的情况在异辛醇的蒸发器添加实验中也出现过.由此可见,添加剂在冷剂水中的蒸发情况对添加剂在吸收器中的气相质量分数有着重要的影响,从而对气相添加的效果产生影响.2.4不同添加方式下60s内吸收蒸气量的比较实验中把添加剂以液相和气相两种形式同时添加,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,同时把添加剂放入吸收器中使其在室温下蒸发进行气相添加.不同添加方式下60s内吸收水蒸气量结果见表4.由表4可见:各种添加剂以液相和气相两种形式同时添加时,其强化效果与气相添加时的效果接近,而且混合添加的吸收效果一般要比气相添加的效果略为减弱.3添加剂的添加量实验采取传统的液相添加、两种添加剂的液相混合添加、吸收器中气相添加、蒸发器中气相添加及气、液相同时添加等添加方式.传统的液相添加实验表明,在溶液中添加少量的添加剂即可使溴化锂溶液吸收水蒸气的速率为未加添加剂时的3~4倍.强化吸收过程中,溶液产生明显的对流和液面波动,且吸收效果的好坏与对流及波动的强弱有着必然的联系.在静态池实验中有很多添加剂强化效果较常用的2-ethyl-1-hexanol更好.两种添加剂混合添加实验结果表明,混合添加对吸收的强化效果只能达到效果较好的一种