气相异辛醇影响溴化锂溶液传质特性研究.pdf

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2 0 2 0 年第12 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 7 5 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 7 7 5 4 5 .2 0 2 0 .1 2 .0 1 4 气相异辛醇影响溴化锂溶液传质特性研究 王刚Ⅵ,董佩文1 ,刘芳1 ,曾敏2 ,张群力1 ,段之殷1 ,解国珍1 1 .北京建筑大学环境与能源工程学院,北京1 0 0 0 4 4 ; 2 .西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室,西安7 1 0 0 4 9 摘要通过溴化锂溶液传质性能测试装置,研究了气相异辛醇添加量对溴化锂溶液表面张力的影响,以 及在降膜吸收的过程中气相异辛醇的添加量和溶液的流量划传质系数的影响。结果表明气相异辛醇 的添加对溴化锂溶液的表面张力和传质系数均有明显影响,表面张力随异辛醇添加量的增加而减小,传 质系数的变化规律与其相反。气相异辛醇分子在溶液表面的吸附作用降低了溶液表面张力梯度,从而 引起的M a r a n g o n i 效应,是对流传质强化比增大的重要原冈。 关键词气相异辛醇;溴化锂溶液;表面张力;传质 中图分类号T B 6 1文献标志码A 文章编号1 0 0 77 5 4 5 2 0 2 0 1 20 0 7 50 5 S t u d yo nE f f e c to fG a s p h a s e2 E H 2 - e t h y l 一1 一h e x a n 0 1 o n M a s sT r a n s f e rC h a r a c t e r i s t i c so fL i t h i u mB r o m i d eS o l u t i o n W A N GG a n 9 1 一.D N GP e iw e n l ,I A UF a n 9 1 ,Z E N GM i n 2 , Z H A N GQ u n l i l 。D U A NZ h i y i n l ,X I EG u o z h e n l 1 .S e h 0 0 1o fE n v i r o n m e n ta n dE n e r g yE n g i n e e r i n g ,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ,B e i j i n g1 0 0 0 , 1 , 1 ,C h i n a ; 2 .K e yL a b o r a t o r yo fT h c r m oF t u i dS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,M i n i s t r yo { E d u c a t i o n .X i ’a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y X i ’a n7 1 0 0 1 9 - C h i n a A b s t r a c t E l f e c to fg a s p h a s e2 E H 2 - e t h y l 一1 一h e x a n 0 1 a d d i t i v ea m o u n to ns u r f a c et e n s i o no fL i B r 1 i t h i u m b r o m i d es o l u t i o n a n di n f l u e n c e so fg a sp h a s e2 E Ha d d i t i v ea m o u n ta n ds o l u t i o nf l o wr a t eo nm a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n td u r i n gf a i l i n gf i l ma b s o r p t i o np r o c e s sw e r es t u d i e db ys e t t i n gu pa t e s td e v i c ef o rm a s st r a n s f e r D e r f o r m a n c eo fI 。i B r .T h ee x p e .r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta d d i t i o no fg a sp h a s e2 E Hh a sas i g n i f i c a n te f f e c to n s u r f a c et e n s i o na n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n to fL i B r .S u r f a c et e n s i o nd r o p sw i t hi n c r e a s eo fa d d i t i v ea m o u n to fg a s D h a s e2 E H ,b u tm a S St r a n s f e rc o e f f i c i e n ta u g m e n t sw i t hi n c r e a s eo fa d d i t i v ea m o u n to fg a sp h a s e2 E H .A d s o r p t i o n 。fg a sp h a s e2 E Hm 0 1 e c u l e so ns o l u t i o ns u r f a c er e d u c e ss o l u t i o ns u r f a c et e n s i o ng r a d i e n ta n dc a u s e st h eM a r a n g o n i e f f e c t ,w h i c hi sa ni m p o r t a n tr e a s o nf o ri n c r e a s eo fc o n v e c t i v em a s st r a n s f e re n h a n c e m e n tr a t i o . K e vw o r d s g a sp h a s e2 E H 2e t h y l1h e x a n 0 1 ;1 i t h i u mb r o m i d es o l u t i o n ;s u r f a c et e n s i o n ;m a s st r a n s f e r 环境与能源已成为制约人类发展的两个关键问 题。1 。⋯。如何解决化学物质对臭氧层的损坏、降低 C O 等温室气体产生的温室效应以及废气产生的 雾霾、提高清洁能源利用比例和低品位能源的高效 利用等,是持续推进节能减排和生态文明建设过程 中必须解决的实际问题。近年来,溴化锂吸收式热 泵技术b 刈在工业余热回收和热电联产供热领域中 对低品位能源的高效利用和节能减排发挥了重要作 收稿日期2 0 2 0 0 9 0 2 基金项目同家自然科学基金资助项日 5 1 9 0 8 0 2 0 ;北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项资金资助项日 X l 8 1 0 5 作者简介王刚 1 9 8 5 ,男,辽宁凌源人.博士,讲师 万方数据 7 6 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 0 年第1 2 期 用。为提升溴化锂吸收式机组运行效率,在溴化锂 二元溶液中添加不同相态的添加剂。7 已被证实是 强化溴化锂溶液吸收过程中热质传递特性的技术路 线之一。气相添加剂作为i 种相态添加剂之一,添 加到基液8 。1 1o 也已被证实对基液的物性及传质特性 有明显影响。K U I 。A N K A R A 等”发现气相添加 剂比液相添加剂对强化溴化锂溶液的吸收有更好的 效果,但测试方法有限。孑L 伟伟等”总结了添加剂 强化溴化锂溶液的吸收特性,发现气相添加剂对溴 化锂溶液的吸收特性的强化效果优于氨水的。程文 龙等_ ] 乱采用吊板法和可视化法,在静态池吸收过程 中研究了添加正辛醇和异辛醇对溴化锂溶液传质的 强化效果,认为气液界面对液相或气相添加剂的吸 附作用导致溶液表面张力分布不均匀,从而引发了 剧烈的M a r a n g o n i 对流,强化了传热传质。高洪涛 等“研究了异辛醇、正庚醇和正己醇等气相添加剂 对吸收速度的影响,结果表明气相添加剂可以有效 提高溶液吸收水蒸气的速度。以溴化锂溶液为基液 的研究也备受学者们的关注。高洪涛等u 6 。17 0 通过 添加1 5 种醇类物质,分别通过试验和分子动力学模 拟的方法,研究了在静态池中溴化锂溶液吸收水蒸 气的效果以及模拟了平衡态和非平衡态下溴化锂溶 液的气液界面的微观结构、密度分布和表面张力等, 结果表明正辛醇和异辛醇以气相作用于溴化锂溶 液表面时,强化效果显著,溴化锂在气液界面处解 吸,部分水蒸气分子快速吸附在气液界面;冯瑞 军。18 0 通过静态池试验研究了添加氨气对溴化锂溶 液热物理特性的影响,结果表明氨气的添加使相平 衡压力增加2 5 倍,气相比容下降。 综合上述的研究结果发现,在基液中添加气相 添加剂对基液的传质特性影响明显,但研究均在静 态下展开,气相添加剂添加量和溶液流动对基液吸 收水蒸气的影响规律尚不清晰。本文通过搭建的多 相溴化锂溶液传质性能测试试验台以及全自动表 面/界面张力仪,研究气相添加剂的添加量对溴化锂 溶液表面张力和传质系数的影响,以及溶液的浓度 和流量对传质系数的影响。 1试验条件与仪器装置 1 .1 试验材料与方法 溴化锂晶体 L i B r 纯度9 9 .9 %;溶剂为去离子 水;添加剂为纯度9 9 .6 %的异辛醇 C 8 H 1 8 0 。试 验中,分别配置了浓度3 0 %、4 0 %和5 8 %的溴化锂 溶液,添加剂质量分数分别为0 .1 %、0 .2 %、0 .5 %、 1 %和1 .5 %。在表面张力测试过程中,直接将添加 剂与溶液混合;在降膜吸收过程中,采用低压蒸发法 将气相异辛醇混合到水蒸气中,选取浓度为5 8 %的 溴化锂溶液为研究对象,溶液流量控制分别为0 .2 、 0 .4 、0 .6 、0 .8 、1 .0 和1 .2I 。/r a i n 。 1 .2 试验装置及原理 通过A S 0 1 型全自动表面/界面张力仪和溴化 锂溶液传质性能测试试验台分别测试溶液的表面张 力和传质特性。表面张力采用吊板法测量,其原理 见文献1 91 。 图1 为溴化锂溶液传质性能测试原理示意图, 试验台主要由热质交换测试系统 1 、7 ~8 、水蒸气 和溶液控制系统 2 ~5 、1 1 ~13 、冷却水循环系统 6 ,9 ~1 0 、真空系统以及控制测量系统等组成。试 验中,浓溶液储液罐2 中的浓溶液由溶液泵1 l 送人 恒温稳压器3 进行精确调节溶液温度后,送人斜板式 吸收器l 的溢流槽7 溢流稳压设计保证溶液压头稳 定 溢流到降膜斜板8 上 降膜斜板南长4 8 0m l T l 、宽 9 21 T I I T I 、厚3m m ,倾斜角3 7 。,中间均匀隔开的不锈 钢板组成 ,吸收水蒸气发生器5 生成的水蒸气,吸 收器出来的稀溶液南稀溶液泵1 2 送入稀溶液储液 罐4 ,稀溶液再由稀溶液泵1 3 送入浓溶液储液罐2 进行加热再生,继续往复循环。图2 为溴化锂溶液 传质性能测试试验台。 1 斜板吸收器;2 浓溶液储液罐;3 恒温稳压器;4 稀溶液储液罐 i 水蒸气发牛器;6 冷却水水箱;7 溢流槽;8 降膜斜板; 9 冷却盘管;1 0 冷却水泵;1 1 浓溶液泵;12 稀溶液泵a ; l3 稀溶液泵h ;1 4 加热器;l j 流量计;l6 温度传感器; 1 7 压/J 传感器;1 8 阀r J 图1溴化锂溶液传质性能测试原理示意图 F i g .1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fm a s st r a n s f e r p e r f o r m a n c et e s to fL i B rs o l u t i o n 万方数据 2 0 2 0 年第12 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 7 7 图2溴化锂溶液传质- 陛能测试试验台 F i g .2 T e s ts t a n df o rm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c e t e s to fL i B rs o l u t i o n 2数据处理与不确定性分析 溶液表面张力利用全自动表面张力仪直接测 量,相同操作条件下进行5 次测量,其不确定度由公 式 1 确定。 .1 1 1 瓯一音∑c r ,1 2 一 1 孑一土y 五 2 ” 式中,瓯是表面张力的不确定度;“ 是测量次 数;z ,是每次测量值;T 是测量值的算数平均值。 传质系数是吸收量、溶液浓度和传热面积的函数, 由此,传质系数和其不确定度由公式 3 和 4 确定。 1 。一- 尘尘了一 3 1 一万巧■承■面 ’ 瓯一[ 善c J ‘] 丁 ㈩ 式中,h 是传质系数 m /s ;p 是溶液的密度 k g /m 3 ;M 是水蒸气吸收量 k g ;A 是传质面积 m 2 ;A C 是吸收前后浓度差 % ;A t 是时间间隔 s 泐、是传质系数的不确定度;订是测量次数;z 是 直接测量值的量眠是直接测量值的不确定度。 试验测得的表面张力和传质系数最大的相对偏 差分别为9 .6 5 %和1 4 .2 5 %,因此,试验数据具有良 好的准确性。 3 试验结果与分析 3 .1 添加剂对表面张力的影响 表面张力作为气液界面的重要物性参数,是影 响溶液吸收特性的重要因素之一。本文对以往自然 蒸发的方式“一进行改进。首先,将一定容积,浓度 分别为3 0 %、4 0 %和5 8 %的溴化锂溶液分别装入密 封容器中,计算容器剩余体积,对容器进行抽真空, 测试容器内压力和环境温度;其次,通过注射器将气 相异辛醇添加到溴化锂溶液中,充分摇匀,将混合后 的溴化锂溶液放置恒温恒湿箱 设定温度与首次测 试温度维持一致 保持2 4h 以上,测试容器内压力, 确定气相添加剂的添加量;最后,将部分溴化锂溶液 取出,在常温和常压下,通过表面张力仪快速测试异 辛醇不同添加量的溴化锂溶液的表面张力。如图3 所示,添加异辛醇后,溶液的表面张力明冠下降。在 相同异辛醇的添加量下,溴化锂溶液的表面张力随 浓度的增加而升高;溶液的表面张力随异辛醇添加 量的增加先快速下降再趋于平缓,其转折点在添加 量为0 .5 %的前后,当溶液浓度为5 8 %,异辛醇添加 量在0 .1 %~1 .5 %时,溶液表面张力的降幅为 4 4 .3 9 %~5 7 .4 2 %。其原因是,溴化锂溶液中的水 分子与锂离子、溴离子之问的水合力强于水分子与 气液界面处的异辛醇分子之间的结合力,锂离子、溴 离子替代异辛醇分子与水分子相结合,使得释放出 来的异辛醇分子不能溶解在溶液中,而是附着在气 液界面,使溶液的表面张力下降。 图3表面张力随添加剂添加量的变化 F i g .3C h a n g eo fs u r f a c et e n s i o nw i t h a d d i t i v ea m o u n t 3 .2 气相添加剂对传质系数的影响 以浓度5 8 %的溴化锂溶液为基液,将质量分数 分别为0 .1 %、0 .2 %、0 .5 %、l %和1 .5 %的异辛醇 溶液放置低压水蒸气发生器内,在低温低压下蒸发 后与水蒸气共同进入斜板降膜吸收器,在1 .2k P a 的压力下测试降膜吸收过程中的传质系数。如图4 所示,添加气相异辛醇明显提升了溴化锂溶液的传 万方数据 7 8 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 0 年第1 2 期 质系数,当溴化锂溶液流量为1 .0Lm i n 、异辛醇添 加量在0 .1 %~1 .5 %时,溴化锂溶液传质系数增长 率为3 7 .0 4 %~8 8 .2 3 %,继续增加异辛醇的添加 量,溶液的传质系数依然可以增大。如图5 所示,溴 化锂溶液传质系数随溶液流量的增加而增大。当溴 化锂溶液流量小于0 .6I 。r a i n 时,传质系数增幅较 大,当溴化锂溶液流量大于0 .6L /r a i n 时,传质系数 增幅趋于平缓。当异辛醇的添加量为1 .5 %、溴化 锂溶液流量在0 .2 ~1 .2L /m i n 时,溴化锂溶液传质 系数增长率为8 1 .7 2 %~1 9 2 .1 9 %。 i 星8 o 。1 辍 鬣6 o xl 垃 图4 传质系数随添加剂添加量的变化 F i g .4C h a n g eo fm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t w i t ha d d i t i v ea m o u n t 图5 传质系数随溶液流量的变化 F i g .5 C h a n g eo fm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t w i t hs o l u t i o nf l o w 在3 .1 节中已得到气相异辛醇添加到溴化锂溶 液中,减小溶液表面张力的结论,在降膜吸收过程 中,气相添加剂能够减弱降膜表面的表面张力梯度, 即存在垂直于界面的流动,气相异辛醇可以引起的 M a r a n g o n i 对流传质强化比增大。因此,增强了气 液界面的传质效果。 4结论 搭建了溴化锂溶液传质性能测试试验台,并采 用表面张力仪,得到了气相异辛醇对溴化锂溶液表 面张力和斜板降膜吸收过程中传质系数的影响,并 得到如下结论 1 溶液的表面张力随气相异辛醇添加量的增加 先快速下降再趋于平缓,随溴化锂溶液的浓度增加 而升高。 2 添加气相异辛醇明显提升了溴化锂溶液的传 质系数。当溴化锂溶液流量为1 .0L /m i n 、异辛醇 添加量在0 .1 %~1 .5 %时,溴化锂溶液传质系数增 长率为3 7 .0 4 %~8 8 .2 3 %。 3 溴化锂溶液传质系数随溶液流量的增加而增 大。当异辛醇的添加量为1 .5 %、溴化锂溶液流量 在0 .2 ~1 .2I ./m i n 时,溴化锂溶液传质系数增长率 为8 1 .7 2 %~1 9 2 .19 %。 4 添加剂分子附着存气液界面,减小溶液的表 面张力,从而使溶液降膜过程中表面张力梯度降低, 引起的M a r a n g o n i 对流传质强化比增大。 参考文献 删姗叽她 黻兰- _ 蓦她砒 群㈣ 吣~蒯n 舭协一 ~一一一 一~ 一一~ 一一 一~一一 一~一 一一一一一一一 一一一m一一 ~~一一 一~一 万方数据 2 0 2 0 年第12 期有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n E s ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ i o ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] o fR e f r i g e r a t i o n ,2 0 1 9 ,1 0 5 1 7 81 8 7 . K I MKJ ,B E R M A NNS ,W O O DBD .S u r f a c et e n s i o n o fa q u e o u sl i t h i u mb r o m i d e 2e t h y l1h e x a n o l [ J ] . J o u r n a lo fC h e m i c a l &E n g i n e e r i n gD a t a ,1 9 9 4 ,3 9 1 1 2 21 2 4 . Y U A NZ ,H E R I 。DKE .S u r f a c et e n s i o no f p u r e w a t e ra n da q u e o u sl i t h i u mb r o m i d ew i t h2 e t h y l h e x a n o l [ J ] .A p p l i e dT h e r m a lE n g i n e e r i n g ,2 0 0 1 ,2 1 8 8 8 18 9 7 . 李云翔.液相添加剂对纳米I 。i B r 溶液表面张力和沸腾 温度的影响及其机理分析[ D ] .北京北京建筑大 学,2 0 1 4 . I 。IYX .E f f e c to fl i q u i da d d i t i v e so nt h es u r f a c et e n s i o n a n dt h eb o i l i n gt e m p e r a t u r eo fL i B ra q u e o u ss o l u t i o n a d d e dn a n op a r ti c l e s [ D ] .B e i ji n g B e i ji n gU n i v e r s i tyo f C i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ,2 0 1 4 . K I MH ,J E N GJ ,K A N GYT .H e a ta n dm a s s t r a n s f e re n h a n c e m e n tf o r f a l l i n g f i l ma b s o r p t i o n p r o c e s sb yS i 2b i n a r yn a n o f l u i d s [ J ] .I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fR e f r i g e r a t i o n ,2 0 1 2 ,3 5 3 6 4 5 6 5 1 . Z H UX ,Y U A NZ 。H E R O I 。DKE .P h a s ed i s t r i b u t i o n o ft h es u r f a c t a n t2 e t h y l h e x a n o li na q u e o u sl i t h i u m b r o m i d e [ J ] .H V A C &.RR e s e a r c h ,2 0 0 2 ,8 4 3 7 13 8 1 . S E T T E R W A I .I .F ,Y A W ,J IW ,e ta 1 .H e a tt r a n s f e r a d d i t i v e si na b s o r p t i o nh e a tp u m p s [ c ] //P r o c e e d i n go f t h eI n t e r n a t i o n a lA b s o r p t i o nH e a tP u m pC o n f e r e n c e , T o k y o ,19 9 l 7 37 8 . J IW ,B J U R S T R E MH ,S E T T E R W A I .I .F .As t u d y o ft h em e c h a n i s mf o rt h ee f f e c to fh e a tt r a n s f e r a d d i t i v e si na na b s o r p t i o ns y s t e m [ J ] .J o u r n a lo fC o l l o i d &.I n t e r f a c eS c i e n c e ,19 9 3 ,1 6 0 1 1 2 71 4 0 . K UI 。A N K A R AS ,HE R I .DKE .S u r f a c et e n s i o no f a q u e o u sl i t h i u mb r o m i d ew i t hh e a t /m a s st r a n s f e r e n h a n c e m e n ta d d i t i v e s T h ee f f e c to fa d d i t i v ev a p o r t r a n s p o r t [ J ] .I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fR e f r i g e r a t i o n , 2 0 0 2 ,2 5 3 3 8 33 8 9 . 孔伟伟,王倩,王悦,等.添加剂和纳米粒子强化溴化锂 水溶液/氨水吸收特性研究进展[ J ] .制冷与空调, 2 0 1 3 ,1 3 3 92 0 ,2 5 . 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I 。IYX ,X I E jZ ,A NI 。,e ta 1 .I n f l u e n c eo fl i q u i d a d d i t i v e so nt h es u r f a c et e n s i o na n dt h eb o i l i n gt e m p e r a t u r e o fan a n oI 。i B ra q u e o u ss o l u t i o n [ J ] .R e f r i g e r a t i o na n dA i r C o n d i t i o n i n g ,2 0 1 4 ,2 8 5 5 0 9 5 1 2 . 万方数据
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