張?chǎng)┫?杜鑫研,楊燕,王世杰,楊麗玲,何夢(mèng)竹,郭凱

(昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,云南 昆明 650214)

四丁基溴化銨(TBAB)既可作為氣體水合物的熱力學(xué)促進(jìn)劑[1],其自身也可在0 ℃以上形成半籠型水合物[2]。前期研究發(fā)現(xiàn),提高溶液濃度可增加結(jié)晶固相中TBAB水合物占比[3]。然而,固相濃度增加,動(dòng)態(tài)蓄/制冷時(shí)將導(dǎo)致流動(dòng)困難或堵塞。目前報(bào)道的水合物蓄/制冷空調(diào)系統(tǒng)所使用的水合物漿液,其固相占比需低于0.35(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),造成蓄/制冷密度降低,總功耗增加[4]。

有研究指出,添加阻聚劑(AAs)是一種最為有效地抑制水合物大量聚集的方法,可在一定程度上阻止顆粒聚積,保持漿液狀態(tài)[5]。Hou等[6]研究了司班40(Span 40)與鼠李糖脂復(fù)配時(shí)的阻聚效果,提出濃度和過(guò)冷度會(huì)對(duì)其造成影響。Mohammadi和Jodat[7]研究指出不同濃度的吐溫80(Tween 80)對(duì)TBAB+CO2體系水合物的形成產(chǎn)生不同的作用(促進(jìn)或抑制),同時(shí)Tween 80也具有阻聚效果。

本文研究阻聚劑Tween 80和Span 40對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30,0.40,0.50的TBAB水合物漿液蓄冷特性的影響,分析其降黏效果與熱物性的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法與材料儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括:TBAB(AR)、Tween 80、Span 40、去離子水(18 MΩ·cm)。測(cè)試儀器包括:夾套燒杯、高低溫恒溫循環(huán)水浴、高剪切均質(zhì)乳化機(jī)(HR-500D-20F)、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(NDJ-5S)、差示掃描量熱儀(DSC25)。測(cè)定其黏度與熱物性,評(píng)價(jià)水合物漿液的蓄冷性能。

黏度測(cè)定實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)配置TBAB水溶液(水合物漿液中水合物相理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30,0.40,0.50),倒入夾套燒杯;(2)再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025,0.05,0.10的阻聚劑(Tween 80或Span 40),用均質(zhì)機(jī)攪拌均勻(12 000 r/min);③啟動(dòng)高低溫恒溫循環(huán)水浴,對(duì)夾套燒杯進(jìn)行循環(huán)制冷,控制溶液溫度為4～8 ℃;④合成TBAB水合物漿液后,利用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量水合物漿液的黏度。

熱物性測(cè)定實(shí)驗(yàn)條件:DSC測(cè)量范圍-30～20 ℃;升降溫速率5 ℃/min;氮?dú)?0 mL/min。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 阻聚劑對(duì)TBAB水合物漿液黏度的影響

阻聚劑對(duì)TBAB水合物漿液黏度的影響如圖1所示。

圖1 阻聚劑對(duì)TBAB水合物漿液黏度的影響

未添加阻聚劑時(shí),漿液黏度隨水合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,由質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30時(shí)的55.5 mPa·s增至0.50時(shí)的694 mPa·s。添加Tween 80或Span 40后,TBAB水合物漿液的黏度發(fā)生變化。低漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.3),添加0.025 Tween 80可使體系黏度降低約46%,而進(jìn)一步提高阻聚劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.05,黏度反而略有提升,這是由于阻聚劑自身具有一定黏度造成的。中等漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.4),分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.025和0.05的兩種阻聚劑均可起到降黏效果,最高可降低60.71%,但增大濃度至0.10時(shí),黏度會(huì)大幅增加。高漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5),添加阻聚劑有一定降黏效果,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05 Tween 80可降黏36.31%,添加0.025 Span 40可降黏56.77%。具體降黏效果統(tǒng)計(jì)列于表1。

表1 阻聚劑對(duì)TBAB水合物漿液降黏效果統(tǒng)計(jì)

2.2 阻聚劑對(duì)TBAB水合物熱物性的影響

利用DSC測(cè)定Tween 80對(duì)TBAB水合物漿液分解吸熱過(guò)程的影響,如圖2所示。隨著Tween 80濃度的增加,冰峰與水合物峰分離程度愈明顯,冰峰減小,水合物峰增強(qiáng),即水合物生成量逐漸增多。此外,水合物相變溫度逐漸增大,三種漿液濃度最高分別可提升約1,2和0.5 ℃,水合物相變溫度條件變得緩和。而冰的相變溫度變化趨勢(shì)則相反,阻聚劑使冰的相變溫度變低,分別降低約1.5,2和2 ℃,抑制冰生成,有利于黏度的降低和流動(dòng)性的提升,吸熱(供冷)速率提高?？偡纸忪蕿?98.2～280.5 kJ/kg,如表2所示。Tween 80的加入對(duì)表觀總分解焓產(chǎn)生不利的影響,但提升了水合物相焓值占比。在0 ℃以上相變蓄冷或制冷過(guò)程中(無(wú)冰),可利用的焓值僅為水合物分解焓,故阻聚劑的加入對(duì)有效焓值(水合物分解焓)具有較好的提升作用。

表2 阻聚劑對(duì)TBAB水合物漿液熱物性的影響

圖2 阻聚劑對(duì)TBAB水合物漿液DSC分解曲線的影響

3 結(jié)論

利用阻聚劑Tween 80和Span 40對(duì)TBAB水合物漿液進(jìn)行調(diào)控,分析漿液黏度、相變熱物性的變化規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025和0.05的阻聚劑具有較好的降黏效果,最高可降黏60.17%;

(2)Tween 80可提高水合物相變溫度、增大水合物占比、降低冰含量,從而實(shí)現(xiàn)漿液流動(dòng)性的提升。