化學實驗室冷凝水循環裝置的設計與開發

王 輝 戴 超 張曉慧 劉傳發

（青島農業大學化學與藥學院，山東 青島 266109）

化學實驗室中蒸餾、分餾、回流、水蒸氣蒸餾、減壓蒸餾等有機化學基本操作都需要用到冷凝水，常規實驗操作中冷凝水都是直接接自來水龍頭，大量水資源白白流入下水道，水資源浪費嚴重，尤其對于青島這個嚴重缺水的城市，此舉不僅不利于學生勤儉節約習慣的培養，更與國家提倡的創建節約型社會的大趨勢不符。另外，在科研實驗室中，有些有機反應需要長時間回流，中途不能停歇，在無人看守情況下，如遇停水，膠管破裂，可能會導致水漫金山或電器短路引起火災，有巨大的安全隱患。目前，市面上已經有商品化的低溫循環冷凝設備，但動輒幾千上萬元一臺的價格，對基礎實驗室和科研經費相對短缺的科研人員來講，有點遠水解不了近渴。現有文獻對實驗室冷凝水循環利用有些相關報道[1-3]，但制作過程復雜，操作繁瑣，如何利用現有的實驗條件，稍作改變，從而達到節水和安全用水的目的，是我們一直在嘗試的工作。

1 儀器與藥品

儀器：潛水泵（5W）、水槽、三口瓶、直型冷凝管、球型冷凝管、溫度計、圓底燒瓶

藥品：乙醚（bp 34.6℃）、乙醇（bp78.3℃）、甲苯（bp 110.6℃）、二甲苯（bp 144.4℃）

2 實驗

2.1 常規蒸餾用水量及冷凝效果考察

搭建蒸餾裝置，分別加入15mL乙醚+15mL蒸餾水、15mL乙醇+15mL蒸餾水、15mL甲苯+15mL二甲苯三種有機混合試劑，并向蒸餾瓶中加入幾粒沸石，開冷凝水，分別控制電熱套電壓在50V、75V和100V進行蒸餾實驗[4]。

2.2 串聯蒸餾裝置用水量及冷凝效果考察

按圖1所示，搭建串聯蒸餾裝置，加入15mL乙醇+15mL蒸餾水，并向蒸餾瓶中加入幾粒沸石，開冷凝水，控制電熱套電壓在75V進行蒸餾實驗，考察2組、3組、4組進行串聯后的實驗效果。

圖1 串聯型蒸餾及回流裝置圖

2.3 小型循環水冷凝裝置的設計

按圖2所示，安裝帶循環冷凝水裝置的蒸餾裝置，按2.1步驟重復實驗進行對照。

圖2 帶循環水冷凝裝置的蒸餾、回流裝置圖

3 結果與討論

3.1 常規蒸餾用水量及冷凝效果考察

在相同電壓條件下，考察了不同流量條件下對不同組分的蒸餾效果，結果見表1。

表1 常規蒸餾用水量及冷凝效果考察結果

從表1數據可以看出，不同組分在相同電壓，不同冷凝水流速條件下，所得產物的產率是不同的，冷凝水流速越大，冷凝效果越好，產率越高，想要達到較高的產率，需要更高的流速，這將增加自來水的浪費程度，以相對理想產率時的流速 14.50/mL·S計算，10分鐘將有8700mL的自來水流入下水道，如果是每次有35組同時做，70個班級做同一個實驗呢？簡單做一下計算，就可以發現，其消耗量是驚人的，而這僅僅是理想狀態下的，實際過程中的消耗更大。以高沸點混合物甲苯+二甲苯為例，較低流速下，其進水口與出水口溫度已經達到4℃的差異，加熱過程中產生的熱量來不及散發，影響了蒸餾效果，產率較低。由此也可以看出，通過調節水龍頭開關，減低流速來實現節約用水的想法會影響冷凝效果，并不能從根本上實現節水的目的。

3.2 串聯蒸餾用水量及冷凝效果考察

基于上述考慮，我們嘗試將兩個或多個蒸餾裝置串聯，即上個裝置的出水口接下個裝置的入水口，以期實現節約用水的目的，實驗結果見表2。

表2 串聯蒸餾裝置的用水量及冷凝效果考察結果

串聯蒸餾裝置，理論上串聯個數越多，節約用水效果越明顯，但從表2的數據可以看出，裝置串聯時，冷凝水循環速度下降，無法將熱量及時帶走，從而導致冷凝效果下降，除第一個裝置的產率幾乎不受影響外，后面裝置的產率會直線下降，當三套裝置串聯時，進水口與出水口溫度差異已經達到9℃，第三套裝置的產率下降嚴重，已經無法滿足冷凝的需要。為了保證實驗效果，需要加大流量來提升，反而增加了水資源的消耗，裝置連接越多，就越需要實驗的同步進行，實際操作過程中，存在諸多影響因素，節水效果并不理想。

3.3 小型循環水冷凝裝置的設計

為了達到節水的目的，實現水資源的循環利用，我們借助一個電動小型潛水泵來實現供水，經出水口，再流回到水槽中，如圖2所示，既達到了冷凝的效果，又實現了循環用水的目的，由于水在循環過程中不斷吸收熱量，我們考察了水槽加水量對實驗效果的影響，結果見表3。

表3 循環水裝置對蒸餾實驗效果的影響

如表3所示，增大水槽水量，蒸餾產率提升，說明水越多，越有利于熱量散發，冷凝效果越好。相對于高沸點化合物的蒸餾，低沸點化合物受水槽水量的影響更小，在進行高沸點物質蒸餾的時候，可考慮水槽內多加水或加冰，來加速熱量的散發。相對于常規自來水冷凝，循環冷凝的效果優于或接近，說明改進是合理可行的。由于水在一個回路中循環使用，其消耗量很小，可多次使用，真正實現了節水的目的。對于科研實驗中長時間的回流時間，此類冷凝裝置的使用，將會更加安全。

4 結論

通過上述實驗，可以得出以下結論：

（1）裝置冷凝效果與冷凝水流速有關，常規自來水冷凝通過調節自來水開關降低流量會影響冷凝效果，達不到節約用水的目的；

（2）串聯型裝置可在一定程度上節約用水，與串聯裝置個數有關，但串聯的結果是需要加大自來水流量增大壓力，加快熱量散發，串聯前端的冷凝效果不受影響，中后端的冷凝效果直線下降，且串聯型需要步調一致，很難把控。兩組串聯勉強可以接受；

（3）在保證外接水槽水量的前提下，循環水冷凝裝置能夠達到或超過常規冷凝方式的冷凝效果，能夠從根本上解決實驗室水資源浪費嚴重的現狀，而且更加安全。所需添置的僅是小水泵一臺，其功率很低，耗電幾乎可以忽略不計。

［1］徐昌學.新型實用的簡易式冷凝水循環器[J].教育與裝備研究,2009(10):30-30.

［2］馬永明,孫洪英,孫娜.化工實驗室冷凝水循環裝置的設計[J].鹽業與化工,2012,41(8):22-23.

［3］李眾.蒸餾、分餾實驗中冷凝水的循環利用[J].中學化學教學參考,2016(13):58-58.

［4］李吉海.基礎化學實驗II-有機化學實驗[M].化學工業出版社，2016.