劉 芳， 董佩文， 王 剛，2

（1．北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市“供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2．西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，西安710049）

0 引 言

飽和蒸汽壓是液體重要的基本參數(shù)之一，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于諸多科研實(shí)驗(yàn)中，良好的物性測試裝置對科學(xué)研究具有重要的意義。飽和蒸汽壓的測定是一個經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其測定方法有動態(tài)法、靜態(tài)法和氣體飽和法，其中靜態(tài)法的準(zhǔn)確性最高［1-5］。靜態(tài)法是通過調(diào)節(jié)外壓與液體蒸汽壓相等來測定不同壓力下液體的沸點(diǎn)和飽和蒸氣壓的［2］。

由文獻(xiàn)［6-9］中得知，上述裝置在操作過程中存在以下幾個問題：①雙液面平衡操作困難；② 抽真空時易引起空氣倒灌，調(diào)壓不穩(wěn)定；③水浴加熱效率低，內(nèi)外溫差大，測溫不準(zhǔn)確；④ 裝置笨重且只能測一組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)效率較低。針對上述問題，林敬東等［6］在U型管的兩側(cè)標(biāo)上刻度，用讀取液面高度差的方法解決了雙液面調(diào)節(jié)耗時、空氣容易倒灌的問題。龔楚清等［7］引入可控進(jìn)氣量和具有獨(dú)立操作的增、減壓緩沖瓶的調(diào)壓裝置，克服了調(diào)壓操作困難、易發(fā)生空氣倒灌的問題。應(yīng)柳枝等［8］改用數(shù)字式溫度計減少測溫誤差。肖文敏等［9］發(fā)現(xiàn)液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)的最佳抽氣時間為2 min，使調(diào)壓更準(zhǔn)確。阮飛等［10］將飽和蒸汽壓計算軟件與可控水蒸氣發(fā)生裝置相結(jié)合，方便計算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以上方法雖然解決了系統(tǒng)某個單一問題，但系統(tǒng)仍存在其他問題尚未解決。

氣液界面間的壓力差是氣液傳質(zhì)的推動力，因此，在氣液傳質(zhì)過程中，通過實(shí)驗(yàn)方法研究飽和蒸汽壓力和傳質(zhì)系數(shù)以及兩者之間的關(guān)系是必要的。蘇成睿等［11］在測定［EMIM］［DEP］＋LiBr＋H2O 三元體系在不同濃度、不同溶質(zhì)比例和溫度范圍內(nèi)的汽液平衡實(shí)驗(yàn)中，得出飽和蒸汽壓力的降低有利于傳質(zhì)的增強(qiáng)。茍杰等［12］在靜態(tài)聲空化泡內(nèi)外的質(zhì)量交換實(shí)驗(yàn)中得出靜態(tài)聲空化泡的質(zhì)量交換系數(shù)隨著飽和蒸汽壓的增大而減小。因此，飽和蒸汽壓的大小與流體傳質(zhì)能力有一定的對應(yīng)關(guān)系。

氣液傳質(zhì)系數(shù)包括分子擴(kuò)散、對流傳質(zhì)系數(shù)。對流傳質(zhì)系數(shù)的測量通常采用等容降壓原理，李京剛等［13］在測定傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)中將原料氣流預(yù)熱汽化后注入溶液，用流量計測量氣體進(jìn)出口流速，進(jìn)而計算傳質(zhì)系數(shù)。但在實(shí)驗(yàn)過程中氣液傳質(zhì)系數(shù)大小受氣體流速影響顯著。分子擴(kuò)散系數(shù)按照是否受濃度梯度的影響又分為互擴(kuò)散和自擴(kuò)散系數(shù)等［14］，本文研究的傳質(zhì)系數(shù)屬于互擴(kuò)散系數(shù)，安龍［15］采用瞬態(tài)擾動法在靜態(tài)池中通過控制閥門使液相表面壓力與水蒸氣達(dá)到平衡狀態(tài)來測量氣液傳質(zhì)系數(shù)。在同一裝置中采用同一壓力傳感器，對飽和蒸汽壓和氣液傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行測試是消除系統(tǒng)誤差最理想的辦法，但目前尚未實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計和搭建了一套新型飽和蒸汽壓及傳質(zhì)系數(shù)測試裝置，通過去離子水的飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)對該裝置的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，為進(jìn)一步準(zhǔn)確測試氣液平衡狀態(tài)下氣液傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

1 測試裝置

1.1 系統(tǒng)組成

新型飽和蒸汽壓及傳質(zhì)系數(shù)測試裝置示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)由3個單元組成，分別為控溫單元、測試單元和數(shù)據(jù)采集單元。

圖1 新型飽和蒸汽壓及傳質(zhì)系數(shù)測試裝置示意圖

（1）控溫單元。由微型磁力控制臺1和加熱鍋爐2組成。微型磁力控制臺1控制并顯示鍋爐加熱溫度，內(nèi)部設(shè)有磁力攪拌器，可通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使平衡釜3內(nèi)加熱溫度均勻；加熱鍋爐2與平衡釜3大小匹配，包裹在平衡釜3周圍對其進(jìn)行加熱，兩者皆由不銹鋼制成，具有良好導(dǎo)熱性能。

（2）測試單元。由平衡釜3、熱電偶4、壓力表5、真空泵6、管道和閥門組成（見表1）。平衡釜3容積為60 mL，內(nèi)部封閉，實(shí)驗(yàn)時可在真空作用下從進(jìn)液口進(jìn)液。熱電偶4測試平衡釜內(nèi)溶液的溫度。壓力表5和傳感器7測試系統(tǒng)內(nèi)壓力，可以通過控制壓力表左右的閥門b、c，分別測量兩側(cè)相對壓力。閥門a、d為進(jìn)液口，閥門g為抽氣口；抽真空時，關(guān)閉閥門a、d，開啟剩余閥門和真空泵；進(jìn)液時，關(guān)閉所有閥門，開啟閥門a或d利用真空度吸進(jìn)溶液。管道內(nèi)直徑約1 cm，壁厚約0．5 cm。所有連接件、管道和閥門都由不銹鋼制成并固定，氣密性良好。

表1 儀器參數(shù)表

其中，控溫單元和測試單元組成一個調(diào)節(jié)與測試系統(tǒng)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)同時測試兩種不同液體飽和蒸汽壓力和二元溶液的傳質(zhì)速率。

（3）數(shù)據(jù)采集單元。由壓力傳感器7、流量計8、數(shù)據(jù)采集儀9和計算機(jī)10組成。壓力傳感器7用來傳輸壓力信號。流量計8用來測量管道內(nèi)水蒸汽流量。數(shù)據(jù)采集儀9與熱電偶4、壓力傳感器7相連，每10 s掃描一次數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)10建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集、分析及處理。

1.2 運(yùn)行方式

1.2.1 飽和蒸汽壓測試運(yùn)行方式

實(shí)驗(yàn)開始前對系統(tǒng)抽真空，以測試系統(tǒng)有無漏氣并排除空氣和不凝氣體。利用平衡釜的真空度使液體進(jìn)入平衡釜內(nèi)，再抽真空1 min，排出多余氣體，并使去離子水達(dá)到飽和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時，通過微型磁力控制臺設(shè)定目標(biāo)溫度，達(dá)到目標(biāo)溫度時控制臺會自動停止加熱，通過設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定加熱的目的。通過控制壓力表左右的閥門b、c，分別測量兩側(cè)相對壓力，再由壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時，數(shù)據(jù)采集儀每10 s掃描并記錄一次電流讀數(shù)，并根據(jù)壓力傳感器公式將讀數(shù)轉(zhuǎn)化為壓力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將氮?dú)馄颗c平衡釜相連，緩慢打開氮?dú)馄?，向平衡釜?nèi)加壓力，慢慢開啟閥門a、b、c、d，將溶液從釜內(nèi)壓出。再通過進(jìn)液口吸入蒸餾水，利用氮?dú)鈱⒄麴s水壓出，可重復(fù)2至3次，直至平衡釜內(nèi)清洗干凈。為保持釜內(nèi)干燥，再對系統(tǒng)抽真空并將溫度設(shè)定在50℃，便于管道內(nèi)水汽的迅速蒸發(fā)，為下次實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1.2.2 傳質(zhì)系數(shù)測試運(yùn)行方式

傳質(zhì)系數(shù)的測定采用了瞬間擾動法。系統(tǒng)抽真空后裝置氣密性良好，兩平衡釜分別盛有等量溴化鋰溶液和去離子水，關(guān)閉所有閥門，打開閥門e、g，抽真空1 min后關(guān)閉，再打開閥門f、g，抽真空1 min后關(guān)閉。此時兩邊溶液都達(dá)到氣液平衡狀態(tài)，如圖2所示?？焖匍_啟連接兩平衡釜之間管道上的閥門b、閥門c，使兩平衡釜相通，溴化鋰溶液便會開始吸收水蒸氣，每10min為一次間隔，測量一組數(shù)據(jù)。傳質(zhì)速率即水蒸氣吸收量的測量方法一般分流量法、重量法、密度法，這里建議采用重量法，平衡釜的重量變化即為水蒸氣吸收量。

圖2 氣液平衡示意圖

2 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

該裝置可以在同一裝置中測定液體飽和蒸汽壓和氣液傳質(zhì)系數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)選擇采用靜態(tài)法測定不同溫度下去離子水的飽和蒸汽壓來驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。靜態(tài)法測定液體飽和蒸汽壓，即把待測液體放在一個封閉體系中，在不同的外壓下直接測液體的沸點(diǎn)或在不同的溫度下直接測其蒸汽壓。實(shí)驗(yàn)測定溫度分別為35、40、45、50℃，通過先升溫后降溫的方式共實(shí)驗(yàn)6次，得出6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

將本文測得的去離子水飽和蒸汽壓力值取平均值并與理論值［16］進(jìn)行對比分析，圖3所示為飽和蒸汽壓隨溫度變化曲線。由圖3可見，實(shí)驗(yàn)測得的飽和蒸汽壓力與理論值均隨溫度的增大而增大，且兩者相差較小，在40～45℃的范圍內(nèi)，兩者壓力基本重合。

圖3 飽和蒸汽壓隨溫度變化曲線

為進(jìn)一步說明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析，分析結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)值與理論值對比，相對誤差在±10%以內(nèi)。所以，該裝置具有良好的準(zhǔn)確性。

圖4 實(shí)驗(yàn)誤差范圍

4 結(jié) 語

本文設(shè)計和搭建了一套新型飽和蒸汽壓及傳質(zhì)系數(shù)測試裝置，并通過去離子水的飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的測量準(zhǔn)確性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用改進(jìn)后的裝置，實(shí)驗(yàn)誤差控制在±10%以內(nèi)，裝置具有良好的準(zhǔn)確性。該裝置不僅可以對不同工況下的液體飽和蒸汽壓進(jìn)行測試；還可以調(diào)節(jié)兩平衡釜間壓差，用于測定二元溶液氣液傳質(zhì)系數(shù)；兩平衡釜間采用同一壓力傳感器，對飽和蒸汽壓和氣液傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行測試，更好地消除了系統(tǒng)誤差，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)效率，對改善實(shí)驗(yàn)質(zhì)量具有明顯的效果。本文所進(jìn)行的測定去離子水飽和蒸汽壓的實(shí)驗(yàn)也為二元溶液傳質(zhì)系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。