冷凝管內冷卻水流動方向的解析

文章編號：1005－6629(2007)11－0073－02中圖分類號：TQ026.2 文獻標識碼：B

1 問題的提出

在室溫下，有些反應速率很小或難于進行。為了使反應順利地進行，常常需要使反應物質較長時間保持沸騰。這種情況就需要使用回流冷凝裝置，使蒸氣不斷地在冷凝管內冷凝而返回反應器中，以防止反應瓶中的物質逃逸損失[1]。 圖 1給出了一種最簡單、最常用的回流冷凝裝置，將反應物質放在圓底燒瓶中，在適當的熱源上或熱浴中進行加熱并保持沸騰狀態。但是在實驗過程中發現，很多學生總是錯誤地在直立的冷凝管夾套中從上至下通入冷卻水，并認為這樣從上至下地通入冷卻水，使蒸氣與冷卻水保持逆流流動可獲得最大的傳熱推動力，以達到快速冷凝的目的。針對教學中出現的此類問題，本文從傳熱理論的角度進行詳細的分析，說明了在回流操作中冷卻水應自下至上地通入冷凝管，與蒸氣保持并流流動的操作原理。

2 蒸餾實驗中冷卻水的流動方向

蒸餾是分離和提純液態有機物最常用的重要方法之一，普通蒸餾裝置如圖2所示。它主要包括蒸餾燒瓶、冷凝管和接受器三大部分。液態有機物在蒸餾燒瓶中經加熱沸騰后，其蒸氣沿傾斜的冷凝管從左至右向接受器流動并冷凝，在接受器內收集起來。冷卻水從冷凝管的右端進入，從其左端流出，與蒸氣保持逆流狀態。

按照傳熱理論，上述冷凝過程屬于冷、熱兩流體通過間壁式換熱器的傳熱過程。在傳熱過程中，蒸氣冷凝成液滴并釋放大量的熱，而冷卻水受熱溫度升高，整個傳熱過程的速率方程式為：

Q=KA△tm。(1)

其中，傳熱速率Q表示單位時間內通過傳熱面的熱量；K表示總傳熱系數，與冷凝管的材質及流體的種類、性質、流速等因素有關；A表示熱量從蒸氣向冷卻水傳遞過程中所通過的傳熱面積；△tm表示冷、熱流體的平均溫度差，是傳熱過程的推動力，溫差越大傳熱速率越快。

在同樣的實驗條件下，對于特定的冷凝管及冷、熱流體，其傳熱過程中的總傳熱系數K和傳熱面積A將保持一定，那么蒸氣冷凝的傳熱速率Q就取決于兩流體的平均溫度差△tm。

圖2普通蒸餾裝置

以逆流為例推導平均溫度差△tm的計算公式。取換熱器中一微元段為研究對象，其傳熱面積為dA，在dA內熱流體因放熱而溫度下降dT，冷流體因受熱而溫度上升dt，傳熱量為dQ（如圖3所示）。

圖3 平均溫度差計算

若忽略換熱器的熱損失，并假設在整個傳熱過程中，熱、冷流體的質量流量qm1與qm2及比熱容cp1與cp2均保持不變，則dA段內熱量守衡的微分式為：

因此，平均溫度差是換熱器進、出口處兩側流體溫度差Δt1與Δt2的對數平均值（較大者為Δt1，較小者為Δt2）。當冷、熱流體的進口溫度t1、T1和出口溫度t2、T2一定時，平均溫度差Δtm僅取決于兩者的接觸方式，即并流操作或逆流操作。根據傳熱學的計算結果，在相同的進、出口溫度條件下，平均溫度差Δtm，逆>Δtm，并[2]。因此，在實驗操作過程中，采取逆流操作方式，即冷卻水從冷凝管的下端進入，從上端流出，冷卻水與蒸氣通過管壁保持逆流接觸傳熱。

3 回流實驗中冷卻水的流動方向

雖然回流冷凝與蒸餾冷凝都是蒸氣在冷凝管內的冷凝，但兩者卻有著本質的差異。在蒸餾操作里，蒸氣通過冷凝得到所需要的蒸餾產品，不僅要發生相變化，轉變成同溫度下的液體，而且溫度降得越低越好，便于收集。整個傳熱冷凝過程中，冷卻水的溫度從t1升至t2、蒸氣的溫度從T1降至T2，屬于兩側變溫傳熱。

但是，在回流操作里，蒸氣冷凝是防止反應物質的逸散損失，同時還需反復加熱以保證其徹底反應，因此在冷凝過程中蒸氣應僅發生相變，即將蒸氣冷凝成同溫度下的液滴，也就是沸點溫度下的液滴。如果將液滴溫度繼續降至沸點以下，為保持反應物的沸騰狀態，熱源就必需提供更多的熱量使其升溫返回至沸點，這將造成能源的浪費。所以，整個回流冷凝過程中，熱流體僅發生相變，其溫度應始終保持在沸點T，屬于一側變溫傳熱，其并流和逆流的溫差變化如圖4所示[2]。

圖4 冷流體變溫時的溫差變化

從圖4可以看到，對于一側變溫傳熱，冷凝管內的冷、熱流體無論是并流接觸傳熱，還是逆流接觸傳熱，冷凝管兩端的溫度差是一致的，即：

據此可以得出，在這種情況下，蒸氣回流冷凝為同溫度液滴的傳熱速率與蒸氣、冷卻水的接觸方式無關，既可以采取并流操作，也可以采取逆流操作。但是，在實際操作中采用逆流方式有兩個弊端：第一，水流過小時，直立的冷凝管內不能充滿冷卻水，甚至有時只有一半的水量，同時水流中充滿了氣泡，影響了冷凝的效果；第二，為了使冷凝管內充滿水，往往需要加大水流量，造成水資源的浪費，過量的水還容易將液滴冷凝至沸點以下。所以，在回流冷凝操作中宜采取并流方式，即冷卻水從直立的冷凝管下端流入，從上端流出，水的流速以冷凝管口沒有蒸氣逸出為限。

4 結論

蒸餾與回流是兩種本質不同的加熱過程。在蒸餾過程中，為了迅速冷卻、收集分離出來的餾份，冷凝管內的冷卻水應與蒸氣保持逆流流動方向；在回流加熱中，冷凝管內的冷卻水應與蒸氣保持并流流動方向，這樣既有利于保持反應溶液的持續沸騰，又能節約能源和水資源。

參考文獻：

[1]周科衍，高占先.有機化學實驗(第三版)[M]，北京:高等教育出版社，1994:20~36.

[2]王志魁.化工原理(第三版)[M]，北京:化學工業出版社，2004:141~163.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”